EP3867043A1 - Procede et dispositif de controle de la qualite d'un lit de poudres dans les procedes de fabrication additive - Google Patents

Procede et dispositif de controle de la qualite d'un lit de poudres dans les procedes de fabrication additive

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Publication number
EP3867043A1
EP3867043A1 EP19786582.7A EP19786582A EP3867043A1 EP 3867043 A1 EP3867043 A1 EP 3867043A1 EP 19786582 A EP19786582 A EP 19786582A EP 3867043 A1 EP3867043 A1 EP 3867043A1
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EP
European Patent Office
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temperature
powder
values
eddy current
bed
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP19786582.7A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Jean-Paul Garandet
Jean-Daniel PENOT
Jean-Marc Decitre
Samuel Legoupil
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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
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/72—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables
    • G01N27/82—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables for investigating the presence of flaws
    • G01N27/90—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables for investigating the presence of flaws using eddy currents
    • G01N27/9046—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables for investigating the presence of flaws using eddy currents by analysing electrical signals
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/30—Process control
    • B22F10/36—Process control of energy beam parameters
    • B22F10/368—Temperature or temperature gradient, e.g. temperature of the melt pool
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/30—Process control
    • B22F10/37—Process control of powder bed aspects, e.g. density
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    • B22F12/90—Means for process control, e.g. cameras or sensors
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    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
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    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
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    • B29C64/393—Data acquisition or data processing for additive manufacturing for controlling or regulating additive manufacturing processes
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    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
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    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
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    • B22F10/28—Powder bed fusion, e.g. selective laser melting [SLM] or electron beam melting [EBM]
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    • B22F2999/00—Aspects linked to processes or compositions used in powder metallurgy
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • the invention relates to the field of Additive Manufacturing (AF), in particular the field of additive manufacturing based on the use of a bed of powders, and more particularly relates to a method and a device for controlling the quality of a bed of powders spread by a layering device of an additive manufacturing system.
  • AF Additive Manufacturing
  • additive manufacturing designates according to standard NF E 67-001, "all of the procedures for manufacturing layer by layer by adding material to a physical object from a digital object". This term includes dozens of interpretations of
  • PBF Powder Bed Fusion
  • SLM TM Selective Laser Melting
  • EBM Electro Beam Melting
  • Binder Jetting Also within the framework of powder bed processes those based on the local injection of a binder on the bed, this is called Binder Jetting or a binder jet process.
  • Binder Jetting it is essential to control the quality of the bed of powders, in particular to detect defects of the oxidation type of the powders constituting the bed or heterogeneities in said bed which may lead to defects on the parts produced.
  • optical techniques in the visible wavelength range are generally used. To do this, one (or a plurality of) shots are taken, and the analysis of the signal makes it possible to detect possible shortages or excess of material.
  • these optical techniques do not allow access to information on the morphology of the powder bed below the surface. They are also limited to detect the oxidation of powders.
  • thermographic signal in the Infra Red range, as described in the article by B. Lane, S. Moylan, E. Whitenton, L. Ma, Rapid Prototyp J., 22 (2016) 778-787.
  • This technique measures the flux radiated by the material and provides interesting information about the temperature field on the surface of the powder bed.
  • this technique does not allow access to detailed information on the compactness and morphology of the powder bed below the surface and its capacities in terms of detection of oxidation type defects are limited.
  • the Eddy Current (CF) technique based on the detection of an electrical signal emitted by an electrically conductive material subjected to a time-varying electromagnetic field is also a known technique for controlling. It is known to those skilled in the art that the depth probed by the excitation current depends on the frequency of the wave and on the magnetic permeability and the electrical conductivity of the material probed.
  • the eddy current technique has already been used in the field of additive manufacturing for the detection of faults on parts under development, such as as cracks, lack of fusion, porosities, irregularities in shape.
  • Patent application US 2016/0349215 A1 by El Todorov describes the possibility of implementing a plurality of eddy current probes on a powder spreading device, using a range of frequencies between 1.5 MHz and 4 MHz. However, this approach does not provide information on the possibility of probing the powder bed itself.
  • An object of the present invention relates to a method and a device for controlling the quality of the powder bed in additive manufacturing processes, and more particularly the family of powder bed fusion (PBF) methods. More specifically, the invention aims to detect drifts in the quality of the powders and in the quality of layering, drifts due for example to oxygen entering the manufacturing chamber or wear of the instrument (eg squeegee or roller) used for spreading and compacting powders or due to a lack of powder supply. The invention aims in particular to characterize the quality of layering in order to detect possible spatial heterogeneities of spreading or temporal drifts during the AF process.
  • PPF powder bed fusion
  • a problem which the present invention aims to solve is that of the analysis of the quality of the powder beds in additive manufacturing processes based on the use of a powder bed, using electrically conductive materials. .
  • the signal CF obtained by an eddy current device in fact accounts for the electrical impedance of the medium.
  • the imaginary components (inductance and capacitance) of the impedance are generally greater than in a dense metallic material, where the impedance is dominated by the resistance (or so equivalent conductance) of the material.
  • a first difficulty is that the electrical conductivity of a metallic material depends on the temperature, the latter varying during production in a PBF process. Also, the invention proposes to associate a temperature evaluation with that of the eddy currents (CF) in order to take into account in the interpretation of the signal CF, variations linked to the temperature of those associated with possible related drifts. at layering.
  • CF eddy currents
  • the materials concerned by the present invention are electrically conductive materials, more particularly metals.
  • the inventors base themselves at the first order on the law of Wiedemann and Franz which makes it possible to link the thermal conductivity and the electrical conductivity of a metallic material and they use the fact observed experimentally that the thermal conductivities of metals vary fairly little with the temperature.
  • the electrical conductivity of a metal can therefore be considered as varying in order of magnitude as the inverse of the temperature in Kelvin, which leads to significant variations.
  • skin thickness denotes the height of the area under the surface penetrated by the incident electromagnetic field. This height, which is a function of the product of the electrical conductivity by the excitation frequency, is conventionally given by the following formula:
  • d, m, s and f respectively represent the skin thickness, the magnetic permeability and the electrical conductivity of the material and the excitation frequency.
  • the excitation frequencies which the inventors have determined as operating for the implementation of the invention can vary between 5 and 500 MHz, and preferably be in a range from 50 to 200 MHz.
  • the invention uses the variation of the conventional penetration depth or skin effect, with the excitation frequency to probe different depths at the subsurface, the probing scale being given by skin thickness defined above.
  • the excitation signal for supplying the eddy current sensor (s) can advantageously comprise several frequencies, identical or not, which can be applied simultaneously or several frequencies applied successively.
  • the method of the invention is applicable to a wide range of pure metals and metal alloys, for example those based on aluminum (Al), chromium (Cr), iron (Fe), nickel ( Ni) and titanium (Ti).
  • the process of the invention is particularly well suited to materials having a high magnetic permeability, such as iron, nickel, which allows, at given electrical conductivity and excitation frequency, to reduce the thickness of the skin.
  • an additional difficulty that the inventors had to take into account is that linked to the roughness of the powder bed, which can recover on the surface of the ejectates, particles emitted in liquid form by the molten bath and which are redeposited in solid form on the surface of the powder bed. Also, preferably, a safety distance or air gap between an eddy current sensor and the powder bed must be kept, in order to take into account the presence of ejectates.
  • the device of the invention maintains an air gap which can range from 50 ⁇ m to 1 cm, and preferably 30 from 50 ⁇ m to 2 mm.
  • the general principle of the invention for the analysis of the quality of a bed of powders on an area to be inspected consists in the use of a technique of in situ CF measurements of eddy currents (by an apparatus eddy current transmitter / receiver), then in the combination of the CF measurements obtained with an evaluation of the temperature of the powder bed made in the vicinity of the zone inspected.
  • the expression 'in the vicinity' of the inspected area should be understood as indicating that the temperature assessment can be made for an area covering the whole of the inspected area or part of the inspected area or in the vicinity of the area inspected.
  • the temperature evaluation can be carried out on the surface and / or on the subsurface by any means known to those skilled in the art. It can be cited without limitation, the use of a camera sensitive to infrared radiation and / or the use of one or more than 15 pyrometers.
  • a plurality of infrared detectors is installed adjacent to a plurality of eddy current sensors on a mobile device capable of scanning the entire bed of powders.
  • means of numerical simulation of the heat transfers can be implemented as an alternative or complementary to the temperature measurement, to estimate the temperature in the upper part of the bed of powders.
  • the simulation can be based on data supplied by thermocouples located under the platform of the AF machine.
  • the invention will find advantageous applications in numerous technical fields such as the aeronautical, space, medical or automotive industries, to cite only these examples of industries which can make use of powder bed additive manufacturing processes.
  • the process of the invention advantageously applies to additive manufacturing by the processes using a bed of powders, in particular the processes (SLM TM, EBM, SLS).
  • the process of the invention also relates to the binder jet processes known as “Binder Jetting” where a binder is sprayed to produce a raw piece which must subsequently be debonded and sintered.
  • the step of measuring an electrical signal consists in calculating amplitude and phase values of the received signal; and the comparison step
  • the step of measuring an electrical signal consists of measuring an induced voltage at the terminals of a sensor, and calculating an impedance value of the powder bed below the inspected area;
  • the method comprises an initial step of calibrating an eddy current transmitter / receiver device making it possible to carry out the measurement step, and which step of correcting the eddy current values represented by said measured electrical signal takes in
  • the layer temperature evaluation step consists either of making a direct measurement of the temperature, or of estimating the temperature by simulation including in particular by applying a finite element method.
  • the step of correcting the eddy current values represented by said measured electrical signal consists in correcting said values with respect to reference charts giving the variation of the electrical conductivity as a function of the temperature for given powder beds .
  • the step of determining the presence of at least one defect consists in identifying differences in values which are representative of surface heterogeneities or of oxidation of the powder bed.
  • the electrical signal measurement step is carried out on a plurality of zones of the powder bed, at identical excitation frequencies, or
  • the step of correcting the eddy current values consists in correcting a mean value or a variance of the signal.
  • the method sequentially comprises a first temperature evaluation step, a step for measuring the electrical signal, and a second temperature evaluation step in order to take into account any variation in temperature between the start and the end of the measurement of the electrical signal.
  • the steps of measuring the electrical signal and of evaluating the temperature are carried out simultaneously.
  • the invention also covers an additive manufacturing process on a bed of powders which comprises steps of controlling the quality of the bed of 5 powders in accordance with the steps of the claimed process.
  • the quality control steps of the powder bed can be carried out simultaneously either during a layering operation by a scraper, or following a melting operation.
  • the invention further covers a device for controlling the quality of a bed of powders for an additive manufacturing system, the device comprising at least one eddy current transmitter / receiver device, a temperature evaluation system, an acquisition and management system for collecting and analyzing
  • the device for controlling the quality of the bed of powders further comprising means for implementing the method for controlling the quality of a bed of powders claimed.
  • the eddy current device comprises at least one coil for performing the excitation function and at least one sensor for performing the reception function.
  • the receiving sensor is an inductive or magnetoresistive sensor.
  • the eddy current apparatus operates at one or a plurality of excitation frequencies in a range from 5 MHz to 500 MHz.
  • the temperature evaluation system is an infrared camera or a pyrometer coupled to the eddy current device.
  • the invention also covers an additive manufacturing system on a powder bed which comprises a device for controlling the quality of the powder bed as claimed and associated hardware and software means 5 for implementing the method for controlling the quality of the powder. powder bed as claimed.
  • FIG. 1 is a simplified representation of an additive manufacturing system making it possible to implement the device of the invention
  • FIG. 2 illustrates an embodiment of the device of the invention
  • FIG. 3 illustrates an alternative embodiment of the device of the invention
  • FIG. 4 illustrates another alternative embodiment of the device of the invention.
  • FIG. 5 illustrates a sequence of steps of the method of the invention in an embodiment for controlling the quality of layering.
  • FIG. 1 shows an additive manufacturing system (100) making it possible to implement the device of the invention in a first embodiment.
  • the AF system comprises a construction support plate (102) on which one or more parts (104) are produced according to an additive manufacturing process on a powder bed, a powder reservoir (106) and a powder dispenser or spreader (108), for example of the doctor blade or roller type, which makes it possible to bring and spread out the powder from the reservoir to the support plate to layer the powder bed (1 10).
  • a powder dispenser or spreader for example of the doctor blade or roller type
  • the device of the invention generally consists of an eddy current device (1 12), a temperature measurement system (1 14) and a system acquisition and control (1 16) for collecting and analyzing the data collected by eddy current systems 15 and temperature measurement.
  • the eddy current device (sensor or probe) consists of at least one coil to perform the excitation function and at least one sensor to perform the reception function.
  • the receiving sensor can in particular be an inductive or magnetoresistive sensor. It is also possible to use Hall effect sensors, of the Giant Magneto-Impedance (GMI) or flux gate type.
  • GMI Giant Magneto-Impedance
  • Those skilled in the art may refer to the literature on eddy current devices to consider implementation variants. In particular, it is possible to envisage implementations in which the two excitation and reception functions are separated or confused, in the latter case by the impedance response of the excitation coil.
  • the CF sensor is chosen to be as sensitive as possible to variations in the conductivity. It can be optimized in this sense using known simulation tools.
  • a CF-based system can integrate a plurality of sensors, identical or not, working at identical or different frequencies.
  • the temperature measurement system (11-14) is an infrared (IR) camera which makes measurements over the entire layer of the powder bed.
  • IR infrared
  • the temperature measurement system is a pyrometer type device (214) coupled to the CF sensor (112) which makes it possible to make local temperature measurements of the bed of powders.
  • the eddy current system (1 12) is coupled to the powder diffuser (108).
  • the layering device (108) is integral with the CF sensor on the same axis, an offset along said axis 15 is preferable. In such a configuration, the inspection of the layering by the CF probe (1 12) and by the temperature measurement system (1 14) is carried out simultaneously with the current operation of the layering by the scraper ( 108).
  • a plurality of CF sensors 20 can be arranged over all or part of the length of the axis of the powder diffuser.
  • the CF sensors can for example be integrated into said scraper or roller.
  • FIG. 4 illustrates an alternative configuration of the device of the invention where the inspection of the layering by the CF probe (112) and by the temperature measurement system (1 14) is carried out during the manufacture of a part (104), ie during the fusion operation here illustrated by scanning a laser source (402).
  • a laser source a laser beam (402), an electron beam or a plasma source.
  • the materials concerned by the present invention are the electrically conductive materials, more particularly metals.
  • FIG. 5 illustrates a sequence of steps (500) of an implementation of the method of the invention for controlling the quality of a bed of powders.
  • the process begins when a layer‘n ’is spread.
  • a layer‘n ’ is spread.
  • the method which is based on a measurement of the eddy currents requires that there be a bed of powders of minimum thickness but sufficient to initiate a first measurement, in order to ensure that the currents measured either those induced in the powder bed, and not in the support tray.
  • it will be expected to deposit a height of powder 15 of the order of a few millimeters before initiating the control process.
  • the process can be initiated when the height of the powder is greater than 1 cm, this value depending on the conductivity and the permeability of the powder.
  • the pre-requisite height may be lower, particularly in the case where a preliminary calibration of the powder bed is carried out.
  • the process is carried out to determine the quality of the powder bed in an area to be inspected.
  • steps (502) and (504) which can be carried out either simultaneously as illustrated, or sequentially one after the other without an imposed order.
  • Step (502) consists in carrying out the measurements of the
  • the excitation function creates above a virgin zone of the bed of powders to be inspected (ie an zone not subjected or not yet subjected to a flux of heat corresponding to a step in the additive manufacturing process), an electromagnetic field variable when the transmitter winding is traversed by a variable electric current.
  • the powder bed opposite this field is conductive and becomes the seat of eddy currents.
  • the receiving function of the CF sensor is then the seat of an electromotive force 5 (voltage) of the same frequencies as on emission in the case of an inductive receiver or of a voltage variation (also of the same frequencies as those emission) in the case of a magnetoresistive sensor.
  • the frequencies are in the range of 5 MHz and 500 MHz.
  • Step (502) makes it possible to generate a representation of this data, for example in the form of eddy current maps in amplitude and / or in phase or, which is equivalent, in the form of 20 real area CF maps and imaginary.
  • Step (504) consists in evaluating the temperature of the powder bed in the vicinity of the area inspected by CF.
  • the evaluation of the temperature T ° is carried out by any of the aforementioned means, for example via an IR camera over the entire powder bed, or more locally by a temperature measurement device linked to the sensor. CF.
  • the temperature evaluation can be represented in the form of a temperature map.
  • the measurements are transmitted to the acquisition and control system (1 16).
  • the temperature can be evaluated by simulation, for example by application of the finite element method.
  • the steps of measuring CF (502) and of evaluating temperature (504) are sequential, the method can chain a first step of measuring temperature, a step of measuring CF and a second step of measuring temperature after the 5 CF measurement, in order to take into account any temperature variation between the start and the end of the CF measurement.
  • T ° and of CF signals (possibly in the form of T ° and CF maps) are transmitted to the acquisition and control unit (116), the process continues to the next step 10 (506) to correct the CF data from the temperature data.
  • Data can optionally be preprocessed against calibration values, temperature mapping can also be resampled, and correction of CF data or CF mapping from temperature data is done on the data pretreated.
  • the CF mapping is corrected by evaluating a curve giving the variation in conductivity as a function of a given temperature, either experimentally or theoretically for a given bed of powders.
  • reference charts can be produced from experimental readings of CF signals obtained on compacted powder samples representative of a plurality of powder beds, depending on the temperature. These allow an electromagnetic signature to be linked to the intrinsic properties of a powder - materials / composition, particle size, morphology, oxidation rate, humidity, etc. - and to the characteristics of the layering - compactness rate, density. On all or part of these samples, the effect of temperature on the measured signals can also be quantified beforehand, possibly outside the machine, for example by using a temperature-controlled oven. These reference values are used to quantify the properties of the powder bed. They are in particular necessary for obtaining a quantitative evaluation of certain parameters such as the density or the compactness of the powder bed.
  • the method makes it possible to compare the 5 corrected values with reference values in order to determine if there are defects or irregularities in the powder bed.
  • the process allows (branch "yes") in a next step (512) feedback on the general AF process such as for example applying a corrective action such as triggering a new pass from the layering system, potentially with an increase in its engine torque, or else stopping the machine.
  • the method allows the zones in which a part (s) during manufacture is / are subjected (s) to the heat flow according to the FA method (and their vicinity) itself (en) t excluded from the analysis, due to the disturbance brought about by the conductivity of the solid material of the part.
  • the process can loop 25 at the start for a new layering inspection (510).
  • the method of the invention makes it possible, from the estimation by Eddy Currents of the impedance of the bed of powders corrected by a measurement of the local temperature, the detection of faults, and in particular of heterogeneities, in a bed of powders when layering in an Additive Manufacturing device.
  • the method can include an initial calibration step of the CF sensor and of the demodulation CF apparatus in order to compensate for thermal drifts and allow comparative measurements to be made. Such a calibration is known to those skilled in the art as being commonly carried out during the detection of faults by the eddy current method.
  • This step can be carried out before a measurement or a measurement cycle (assuming that, during the scanning of the part, the temperature of the CF sensors and of the demodulation electronics will be stable), preferably before and 10 after each measurement, in the purpose of compensating for a change in the temperature of the sensor and possibly of the demodulation electronics.
  • this step 15 can be used to balance the sensors, which is also a conventional step in the CF method and which consists in bringing the CF signal back to the origin.
  • This calibration step can be carried out according to one or a combination of the following approaches:
  • These standards can include one or more samples of powder, of known and stable conductivity (for example the powder is enclosed in a container which does not interfere with the CF measurement).
  • These standards can also be composed of low gap semiconductors (of the InSb, InAs type) suitably doped to be in the right range of conductivities, or of carbon or carbon-based composites, these examples not being of a limiting nature.
  • this conductivity measurement is carried out before and after each phase of measured. This approach gives better results, without strong constraints.
  • the calibration sequence takes place at different stages of the powder bed inspection process.
  • the powder bed itself is used as a reference for the calibration of the process.
  • a series of conductivity measurements on a surface 15 representative of the bed is carried out.
  • An average value - over the entire measurement surface, or only over regions with low variance (impedance, and / or real and / or imaginary component) - is calculated and used as a reference.
  • a series of measurements carried out on the bed heated uniformly at different temperatures or on this same bed having controlled temperature gradients can also make it possible to obtain calibration points for the impedance Z ′ of the powder studied as a function of the temperature T °, namely'dZIdT.
  • the calibration data is transmitted to the acquisition and control unit (116) to be taken into account when processing the data (506). And during the defect determination step (508), the presence of bed irregularities is determined relatively with respect to this or these reference values.
  • the air gap i.e. the distance between the CF sensor and the powder bed.
  • the air gap can vary between 50 pm and 1 cm, preferably 50 pm and 2 mm.
  • a system for detecting these protuberances can optionally be added, such as an optical profilometer or an image analysis system.
  • the thickness of the bed of probing powders is typically from a few tens of ⁇ m to a few mm. In doing so, the present invention makes it possible to qualify the latest layering.
  • the excitation frequencies can vary between 5 and 500 MHz, and preferably between 50 MHz and 200 MHz.
  • the active area of the reception system should preferably be less than or equal to the extent of the anomaly area.
  • the size of the active area can vary between 50 ⁇ m and 2 mm.
  • the dimension of the active area can vary between 0.7 mm and 5 cm, preferably 1 mm and 5 mm. It may be advantageous to use simulation tools to then evaluate the behavior of the sensor with respect to air gap noise and the depth at which eddy currents are generated.

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Abstract

La présente invention concerne un dispositif et un procédé de contrôle de la qualité d'un lit de poudres dans un système de fabrication additive. Le procédé comprend des étapes consistant à: - mesurer un signal électrique représentatif de valeurs de courants de Foucault, reçu en réponse à une excitation électromagnétique variable dans le temps produite par un émetteur sur une zone à inspecter d'une couche d'un lit de poudres; - évaluer la température de la couche du lit de poudres au voisinage de la zone inspectée; - corriger les valeurs du signal électrique représentatif de valeurs de courants de Foucault représentées par ledit signal électrique mesuré, en fonction des valeurs de température obtenues par l'évaluation de la température; - comparer les valeurs corrigées à des valeurs de référence; et - déterminer en fonction du résultat de la comparaison, la présence ou non de défaut dans ladite zone inspectée.

Description

PROCEDE ET DISPOSITIF DE CONTROLE DE LA QUALITE D’UN LIT DE POUDRES DANS LES PROCEDES DE FABRICATION ADDITIVE
Domaine de l’invention
5 L’invention se situe dans le domaine de la Fabrication Additive (FA), notamment le domaine de la fabrication additive basée sur la mise en oeuvre d’un lit de poudres, et concerne plus particulièrement un procédé et un dispositif de contrôle de la qualité d’un lit de poudres étalée par un dispositif de mise en couche d’un système de fabrication additive.
10 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
15 technologies de fabrication, classées en sept catégories de procédés selon la norme NF ISO 17296-2 Juin 2015.
Parmi ces procédés basés sur la mise en oeuvre d’un lit de poudres, on trouve en particulier ceux où la poudre est fondue et resolidifiée localement, désignés comme fusion sur lit de poudres ou par
20 l’acronyme anglais (PBF) pour « Powder Bed Fusion ». Les procédés dits PBF incluent les procédés mettant en oeuvre une fusion complète des grains de poudre (e.g. SLM™ pour « Sélective Laser Melting » ou EBM pour « Electron Beam Melting »). Par abus de langage, l’acronyme PBF est utilisé pour les procédés où la cohésion de la matière est assurée par
25 frittage du matériau (procédés SLS pour « Sélective Laser Sintering »).
Rentrent également dans le cadre des procédés lits de poudre ceux basés sur l’injection locale d’un liant sur le lit, on parle alors de Binder Jetting ou de procédé à jet de liant. Dans ces procédés, il est fondamental de contrôler la qualité du lit de poudres, notamment pour détecter des défauts de type oxydation des poudres constitutives du lit ou des hétérogénéités dans ledit lit susceptibles de conduire à des défauts sur les pièces élaborées.
5 Pour l’analyse de la qualité de la mise en couche d’un système d’étalement dans les procédés PBF, les techniques de l’optique, dans la gamme de longueur d’ondes du visible sont généralement utilisées. Pour ce faire, une (ou une pluralité de) prise(s) de vue sont effectuées, et l’analyse du signal permet de détecter d’éventuels manques ou excès de 10 matière. Cependant ces techniques optiques ne permettent pas d’accéder à des informations sur la morphologie du lit de poudres sous la surface. Elles sont par ailleurs limitées pour détecter l’oxydation des poudres.
Une autre technique de monitoring couramment utilisée dans les procédés PBF est basée sur l’analyse d’un signal thermographique dans 15 la gamme Infra Rouge, comme décrit dans l’article de B. Lane, S. Moylan, E. Whitenton, L. Ma, Rapid Prototyp J., 22 (2016) 778-787. Cette technique mesure le flux rayonné par la matière et apporte des informations intéressantes quant au champ de température à la surface du lit de poudres. Cependant, là encore cette technique ne permet pas 20 d’accéder à des informations détaillées sur la compacité et la morphologie du lit de poudres sous la surface et ses capacités en matière de détection de défauts du type oxydation sont limitées.
La technique des Courants de Foucault (CF), basée sur la détection d’un signal électrique émis par un matériau conducteur de 25 l’électricité soumis à un champ électromagnétique variant dans le temps est également une technique connue pour faire du contrôle. Il est connu de l’homme de l’art que la profondeur sondée par le courant excitateur dépend de la fréquence de l’onde et de la perméabilité magnétique et de la conductivité électrique du matériau sondé. La technique des courants 30 de Foucault a déjà été utilisée dans le domaine de la fabrication additive pour la détection de défauts sur des pièces en cours d’élaboration, tels que des fissures, des manques de fusion, des porosités, des irrégularités de forme. La demande de brevet U. S. 2016/0349215 A1 de E.l. Todorov décrit la possibilité d’implémenter une pluralité de sondes à Courants de Foucault sur un dispositif d’étalement des poudres, utilisant une gamme 5 de fréquences entre 1.5 MHz et 4 MHz. Cependant, cette approche ne donne pas d’informations sur la possibilité de sonder le lit de poudres lui- même.
Il existe donc un besoin pour pallier les inconvénients des approches connues et pour proposer une solution permettant l’analyse in 10 situ de la qualité d’un lit de poudres subséquemment à la mise en couche dans les procédés de Fabrication Additive de type PBF. La présente invention répond à ce besoin.
Résumé de l’invention
15
Un objet de la présente invention concerne un procédé et un dispositif de contrôle de la qualité du lit de poudres dans les procédés de fabrication additive, et plus particulièrement la famille des procédés de fusion sur lit de poudres (PBF). Plus précisément, l’invention vise à 20 détecter des dérives sur la qualité des poudres et dans la qualité de mise en couche, dérives dues par exemple à une entrée d’oxygène dans la chambre de fabrication ou une usure de l’instrument (e.g. raclette ou rouleau) utilisé pour l’étalement et la compaction des poudres ou dues à un défaut d’alimentation en poudre. L’invention vise en particulier à 25 caractériser la qualité de mise en couche pour détecter d’éventuelles hétérogénéités spatiales d’étalement ou de dérives temporelles au cours du procédé de FA.
Un problème que vise à résoudre la présente invention est celui de l’analyse de la qualité des lits de poudres dans les procédés de 30 fabrication additive basés sur la mise en oeuvre d’un lit de poudres, utilisant des matériaux conducteurs de l’électricité. Or il est connu de l’homme du métier que sur un matériau diphasique type empilement de poudres, le signal CF obtenu par un dispositif à courants de Foucault rend en fait compte de l’impédance électrique du milieu. Par ailleurs dans un matériau tel qu’un lit de poudres, 5 les composantes imaginaires (inductance et capacité) de l’impédance sont généralement plus importantes que dans un matériau métallique dense, où l’impédance est dominée par la résistance (ou de façon équivalente la conductance) du matériau.
Une première difficulté est que la conductivité électrique d’un 10 matériau métallique dépend de la température, cette dernière variant au cours de l’élaboration dans un procédé PBF. Aussi, l’invention propose d’associer une évaluation de température à celle des courants de Foucault (CF) pour faire la part dans l’interprétation du signal CF, des variations liées à la température de celles associées à d’éventuelles 15 dérives liées à la mise en couche.
Bien qu’il n’était a priori pas évident de penser que les poudres étaient suffisamment conductrices pour permettre une analyse par CF, les inventeurs ont évalué que cela était possible pour la plupart des lits de poudres de matériaux métalliques. Les matériaux concernés par la 20 présente invention sont les matériaux conducteurs électriques, plus particulièrement les métaux.
Pour justifier leur affirmation, les inventeurs se basent au premier ordre sur la loi de Wiedemann et Franz qui permet de relier la conductivité thermique et la conductivité électrique d’un matériau métallique et ils 25 utilisent le fait observé expérimentalement que les conductivités thermiques des métaux varient assez peu avec la température. Ainsi au premier ordre, la conductivité électrique d’un métal peut donc être considérée comme variant en ordre de grandeur comme l’inverse de la température en kelvins, ce qui conduit à des variations significatives.
30 Un autre facteur très important que les inventeurs ont pris en compte pour l’analyse des signaux est le fait que la matière est déposée sous forme de poudres qui ne permettent un transfert des porteurs de charges qu’aux points de contact entre les grains de poudres. De ce fait, la conductivité d’un lit de poudres est donc très significativement inférieure à celle d’un matériau massif, et comme exposé ci-dessus, elle 5 peut présenter une composante complexe, liée par exemple à des effets capacitifs.
Dans les approches par simulation numérique des procédés de fabrication additive, il y a lieu dans les modèles de simulation d’indiquer une valeur de conductivité thermique du lit de poudres. Même si la 10 littérature fait état de différences d’appréciation sur le rapport entre les conductivités thermiques d’un matériau sous forme de lit de poudres et sous forme massive, ce rapport n’est jamais en pratique pris inférieur à 0.01. A une température donnée, on peut donc penser que la conductivité du lit de poudres ne sera pas inférieure au centième de celle du matériau 15 massif.
Par ailleurs, on désigne par « l’épaisseur de peau », la hauteur de la zone sous la surface pénétrée par le champ électromagnétique incident. Cette hauteur qui est fonction du produit de la conductivité électrique par la fréquence d’excitation, est conventionnellement donnée 20 par la formule suivante :
d = (pmsί) 1/2
où d, m, s et f représentent respectivement l’épaisseur de peau, la perméabilité magnétique et la conductivité électrique du matériau et la fréquence d’excitation.
25 II est alors nécessaire, en fonction de la nature du matériau à élaborer, de la granulométrie et de la morphologie des poudres, ainsi que de leur taux de compaction, d’utiliser des fréquences d’excitation plus élevées que celles rencontrées habituellement dans les techniques à courants de Foucault pour compenser la faible conductivité électrique des 30 poudres. Selon différentes configurations, les fréquences d’excitation que les inventeurs ont déterminées comme opérantes pour la mise en oeuvre de l’invention, peuvent varier entre 5 et 500 MHz, et préférentiellement être dans une plage allant de 50 à 200 MHz.
Dans un mode préférentiel de mise en oeuvre, l’invention utilise la variation de la profondeur de pénétration conventionnelle ou effet de 5 peau, avec la fréquence d’excitation pour sonder différentes profondeurs en subsurface, l’échelle de sondage étant donnée par l’épaisseur de peau définie ci-dessus. Dans la pratique, le signal d’excitation pour alimenter le(s) capteur(s) à courants de Foucault peut avantageusement comprendre plusieurs fréquences, identiques ou non, pouvant être 10 appliquées de manière simultanée ou plusieurs fréquences appliquées successivement.
Avantageusement, le procédé de l’invention est applicable à une vaste gamme de métaux purs et d’alliages métalliques, par exemple ceux basés sur l’aluminium (Al), le chrome (Cr), le fer (Fe), le nickel (Ni) et le 15 titane (Ti).
Le procédé de l’invention est particulièrement bien adapté aux matériaux présentant une perméabilité magnétique élevée, comme le fer, le nickel, ce qui permet, à conductivité électrique et fréquence d’excitation données, de réduire l’épaisseur de peau.
20 Une difficulté supplémentaire que les inventeurs ont dû prendre en compte est celle liée à la rugosité du lit de poudres, celui-ci pouvant récupérer en surface des éjectats, particules émises sous forme liquide par le bain de fusion et qui se redéposent sous forme solide à la surface du lit de poudres. Aussi, de manière préférentielle, il doit être conservé 25 une distance de sécurité ou entrefer entre un capteur à courants de Foucault et le lit de poudres, afin de prendre en compte la présence d’éjectats. En fonction de la taille (diamètre) du bobinage utilisé pour la ou la pluralité des sondes à courants de Foucault, le dispositif de l’invention maintient un entrefer qui peut aller de 50 pm à 1 cm, et préférentiellement 30 de 50 pm à 2 mm. Ainsi, le principe général de l’invention pour l’analyse de la qualité d’un lit de poudres sur une zone à inspecter, consiste en l’utilisation d’une technique de mesures CF in situ de Courants de Foucault (par un appareil émetteur/récepteur à courants de Foucault), puis en la 5 combinaison des mesures CF obtenues avec une évaluation de la température du lit de poudres faite au voisinage de la zone inspectée. L’expression‘au voisinage’ de la zone inspectée doit s’entendre comme indiquant que l’évaluation de température peut être faite pour une zone couvrant la totalité de la zone inspectée ou une partie de la zone 10 inspectée ou aux environs de la zone inspectée.
Avantageusement, l’évaluation de température peut être réalisée en surface et/ou en subsurface par tous moyens connus de l’homme de l’art. Il peut être cité sans limitation, l’utilisation d’une caméra sensible au rayonnement infrarouge et/ou l’utilisation d’un ou d’une pluralité de 15 pyromètres. Dans un mode de réalisation, une pluralité de détecteurs infrarouges est installée de façon adjacente à une pluralité de capteurs à courants de Foucault sur un dispositif mobile capable de scanner l’ensemble du lit de poudres.
Dans un autre mode de réalisation, des moyens de simulation 20 numérique des transferts de chaleur peuvent être mis en œuvre de manière alternative ou complémentaire à la mesure de température, pour estimer la température dans la partie supérieure du lit de poudres. La simulation peut s’appuyer sur des données fournies par des thermocouples situés sous le plateau de la machine de FA.
25 L’invention trouvera des applications avantageuses dans de nombreux domaines techniques tels que les industries aéronautique, spatiale, médicale ou automobile, pour ne citer que ces exemples d’industries qui peuvent faire usage de procédés de fabrication additive basés sur lit de poudres.
30 Ainsi le procédé de l’invention s’applique avantageusement à la fabrication additive par les procédés utilisant un lit de poudres, notamment les procédés (SLM™, EBM, SLS). Le procédé de l’invention concerne également les procédés à jet de liant connu comme « Binder Jetting » où un liant est projeté pour réaliser une pièce à cru qui doit par la suite être déliantée et frittée.
5 Pour obtenir les résultats recherchés, il est proposé un procédé de contrôle de la qualité d’un lit de poudres dans un système de fabrication additive, le procédé comprenant les étapes de :
- mesurer un signal électrique représentatif de valeurs de courants de Foucault, reçu en réponse à une excitation électromagnétique variable
10 dans le temps produite par un émetteur sur une zone à inspecter d’une couche d’un lit de poudres;
- évaluer la température de la couche du lit de poudres au voisinage de la zone inspectée ;
- corriger les valeurs du signal électrique représentatif de valeurs 15 de courants de Foucault représentées par ledit signal électrique mesuré, en fonction des valeurs de température obtenues par l’évaluation de la température ;
- comparer les valeurs corrigées à des valeurs de référence ; et
- déterminer en fonction du résultat de la comparaison, la présence 20 ou non de défaut dans ladite zone inspectée.
Selon des modes de réalisation alternatifs ou combinés:
- l’étape de mesure d’un signal électrique consiste à calculer des valeurs d’amplitude et de phase du signal reçu; et l’étape de comparaison
25 consiste à comparer les valeurs corrigées d’amplitude et de phase à des valeurs d’amplitude et de phase de référence.
- l’étape de mesure d‘un signal électrique consiste à mesurer une tension induite aux bornes d’un capteur, et à calculer une valeur d’impédance du lit de poudres au-dessous de la zone inspectée; et l’étape de
30 comparaison consiste à comparer la valeur corrigée d’impédance du lit de poudres à une valeur d’impédance de référence. - le procédé comprend une étape initiale de calibration d’un appareil émetteur/récepteur à courants de Foucault permettant de réaliser l’étape de mesure, et lequel l’étape de corriger les valeurs de courants de Foucault représentées par ledit signal électrique mesuré, prend en
5 compte des données de calibration.
- l’étape d’évaluation de la température de la couche consiste soit à faire une mesure directe de la température, soit à estimer la température par simulation dont notamment par application d’une méthode des éléments finis.
10 - l’étape de correction des valeurs de courants de Foucault représentées par ledit signal électrique mesuré, consiste à corriger lesdites valeurs par rapport à des abaques de référence donnant la variation de la conductivité électrique en fonction de la température pour des lits de poudre donnés.
15 - l’étape de détermination de la présence d’au moins un défaut consiste à identifier des écarts de valeurs qui sont représentatifs d’hétérogénéités en surface ou d’oxydation du lit de poudres.
- l’étape de mesure de signal électrique est faite sur une pluralité de zones du lit de poudres, à des fréquences d’excitation identiques ou
20 différentes.
- l’étape de correction des valeurs de courants de Foucault consiste à corriger une valeur moyenne ou une variance du signal.
- les étapes de mesure du signal électrique et d’évaluation de température sont réalisées de manière séquentielle.
25 - le procédé comprend séquentiellement une première étape d’évaluation de température, une étape de mesure du signal électrique, et une deuxième étape d’évaluation de température afin de prendre en compte toute variation de température entre le début et la fin de la mesure du signal électrique.
30 - les étapes de mesure du signal électrique et d’évaluation de température sont réalisées de manière simultanée. L’invention couvre aussi un procédé de fabrication additive sur lit de poudres qui comprend des étapes de contrôle de la qualité du lit de 5 poudres conformes aux étapes du procédé revendiqué. Les étapes de contrôle de la qualité du lit de poudres peuvent être réalisées simultanément soit lors d’une opération de mise en couche par un racleur, soit suite à une opération de fusion.
10 L’invention couvre de plus un dispositif de contrôle de la qualité d’un lit de poudres pour un système de fabrication additive, le dispositif comprenant au moins un appareil émetteur/récepteur à courants de Foucault, un système d’évaluation de température, un système d’acquisition et de pilotage permettant de recueillir et analyser des
15 données relevées par l’appareil à courants de Foucault et par le système d’évaluation de température, le dispositif de contrôle de la qualité du lit de poudres comprenant de plus des moyens pour mettre en oeuvre le procédé de contrôle de la qualité d’un lit de poudres revendiqué.
20 Selon des modes de réalisation alternatifs ou combinés:
- l’appareil à courants de Foucault comprend au moins une bobine pour réaliser la fonction d’excitation et au moins un capteur pour réaliser la fonction de réception.
- le capteur en réception est un capteur inductif ou magnétorésistif.
25 - l’appareil à courants de Foucault opère à une ou une pluralité de fréquences d’excitation comprise dans une plage allant de 5 MHz à 500 MHz.
- le système d’évaluation de température est une caméra infrarouge ou un pyromètre couplé à l’appareil à courants de Foucault.
30 - l’appareil à courants de Foucault est couplé à un dispenseur de poudre du système de fabrication additive. L’invention couvre aussi un système de fabrication additive sur lit de poudres qui comprend un dispositif de contrôle de la qualité du lit de poudres tel que revendiqué et des moyens matériels et logiciels associés 5 pour mettre en oeuvre le procédé de contrôle de la qualité du lit de poudres tel que revendiqué.
Description des figures
Différents aspects et avantages de l’invention vont apparaitre en 10 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 un mode de réalisation du dispositif de l’invention;
15 La figure 3 illustre une variante de réalisation du dispositif de l’invention;
La figure 4 illustre une autre variante de réalisation du dispositif de l’invention; et
La figure 5 illustre un enchaînement d’étapes du procédé de l’invention dans un mode de réalisation pour contrôler la qualité de mise en couche.
20 Description détaillée de l’invention
La figure 1 montre un système de fabrication additive (100) permettant d’implémenter le dispositif de l’invention dans un premier mode de réalisation. Le système de FA comprend un plateau support de construction (102) sur lequel une ou plusieurs pièces (104) sont 25 fabriquées selon un procédé de fabrication additive sur lit de poudres, un réservoir de poudre (106) et un dispenseur ou difffuseur de poudre (108), par exemple de type racle ou rouleau, qui permet d’amener et d’étaler de la poudre du réservoir vers le plateau support pour opérer une mise en couche dans le lit de poudres (1 10). Sous l’effet d’une source de chaleur (non représentée), la fusion de la poudre opère aux endroits destinés à produire une couche de la ou des pièces à fabriquer. Ce processus se 5 répète couche après 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.
10 Pour contrôler la qualité de la mise en couche, le dispositif de l’invention est généralement constitué d’un appareil à courants de Foucault (1 12), d’un système de mesure de température (1 14) et d’un système d’acquisition et de pilotage (1 16) permettant de recueillir et analyser les données relevées par les systèmes à courants de Foucault 15 et de mesure de température.
L’appareil à courants de Foucault (capteur ou sonde) est constitué d’au moins une bobine pour réaliser la fonction d’excitation et d’au moins un capteur pour réaliser la fonction de réception. Le capteur en réception peut être notamment un capteur inductif ou magnétorésistif. On peut 20 également utiliser des capteurs à effet Hall, de type Giant Magneto- Impedance (GMI) où à porte de flux (Flux Gâte). L’homme de l’art pourra se reporter à la littérature sur les dispositifs à courants de Foucault pour envisager des variantes d’implémentation. En particulier, il peut être envisagé des implémentations où les deux fonctions d’excitation et de 25 réception sont séparées ou confondues, dans ce dernier cas par la réponse en impédance de la bobine excitatrice.
De manière préférentielle, le capteur CF est choisi pour être le plus sensible possible à des variations de la conductivité. Il peut être optimisé dans ce sens en utilisant des outils de simulation connus. Selon diverses implémentations, un système basé sur les CF peut intégrer une pluralité de capteurs, identiques ou non, travaillant à des fréquences identiques ou non.
Selon un premier mode de réalisation illustré en figure 1 , le 5 système de mesure de température (1 14) est une caméra infrarouge (IR) qui fait des mesures sur toute la couche du lit de poudres.
Dans une variante de réalisation illustrée en figure 2, le système de mesure de température est un dispositif de type pyromètre (214) couplé au capteur CF (1 12) qui permet de faire des mesures de température 10 locales du lit de poudres.
Dans une autre variante de réalisation illustrée en figure 3, le système à courants de Foucault (1 12) est couplé au diffuseur de poudre (108). De manière préférentielle, le dispositif de mise en couche (108) est solidaire du capteur CF sur le même axe, un décalage selon ledit axe 15 étant préférable. Dans une telle configuration, l’inspection de la mise en couche par la sonde CF (1 12) et par le système de mesure de température (1 14) est réalisée simultanément à l’opération courante de la mise en couche par le racleur (108).
Dans une autre variante non illustrée, une pluralité de capteurs CF 20 peut être disposée sur tout ou partie de la longueur de l’axe du diffuseur de poudre.
Dans une implémentation où le dispositif de mise en couche est de type racleur ou rouleau, les capteurs CF peuvent par exemple être intégrés audit racleur ou rouleau.
25 La figure 4 illustre une configuration alternative du dispositif de l’invention où l’inspection de la mise en couche par la sonde CF (112) et par le système de mesure de température (1 14) est réalisée durant la fabrication d’une pièce (104), i.e. lors de l’opération de fusion ici illustrée par un balayage d’une source laser (402). Diverses sources d’énergie peuvent être utilisées, comme par exemple et sans caractère limitatif, un faisceau laser (402), un faisceau d’électron ou une source plasma.
Les matériaux concernés par la présente invention sont les 5 matériaux conducteurs électriques, plus particulièrement les métaux.
La figure 5 illustre un enchaînement d’étapes (500) d’une mise en oeuvre du procédé de l’invention pour contrôler la qualité d’un lit de poudres. Le procédé débute lorsqu’une couche‘n’ est étalée. L’homme du métier comprend que le procédé qui est basé sur une mesure des 10 courants de Foucault requiert qu’il y ait un lit de poudres d’épaisseur minimum mais suffisante pour initier une première mesure, afin d’assurer que les courants mesurés soient ceux induits dans le lit de poudres, et non dans le plateau support. Ainsi, dans le cas usuel d’un plateau à forte conductivité électrique, il sera attendu le dépôt d’une hauteur de poudre 15 de l’ordre de quelques millimètres avant d’initier le procédé de contrôle.
De manière préférentielle, le procédé peut être initié quand la hauteur de poudre est supérieure à 1 cm, cette valeur dépendant de la conductivité et de la perméabilité de la poudre. Cependant, la hauteur pré-requise peut être inférieure, en particulier dans le cas où un étalonnage 20 préliminaire du lit de poudres est réalisé. Le procédé est déroulé pour déterminer la qualité du lit de poudres sur une zone à inspecter.
Le procédé se poursuit par les étapes (502) et (504) qui peuvent être opérées soit de manière simultanée comme illustré, soit de manière séquentielle l’une après l’autre sans ordre imposé.
25 L’étape (502) consiste à réaliser les mesures des courants de
Foucault. Selon le système CF implémenté, mais de manière connue pour effectuer des mesures CF, la fonction d’excitation crée au-dessus d’une zone vierge du lit de poudres à inspecter (i.e. une zone non soumise ou pas encore soumise à un flux de chaleur correspondant à une 30 étape du procédé de fabrication additive), un champ électromagnétique variable lorsque le bobinage émetteur est parcouru par un courant électrique variable. Le lit de poudres en vis-à-vis de ce champ est conducteur et devient le siège de courants de Foucault. La fonction réceptrice du capteur CF est alors le siège d’une force électromotrice 5 (tension) de mêmes fréquences qu’à l’émission dans le cas d’un récepteur inductif ou d’une variation de tension (également de mêmes fréquences que celles d’émission) dans le cas d’un capteur magnétorésistif. Dans un mode de réalisation, les fréquences sont comprises dans une plage allant de 5 MHz et 500 MHz.
10 L’amplitude et la phase de ces tensions dépendent des valeurs de la conductivité et de la perméabilité du lit de poudres. Un module de démodulation du système CF permet d’extraire le signal aux fréquences utilisées, i.e. mesurer les amplitudes et les phases du signal électrique en réception pour chacune des fréquences (et pour chacun des capteurs, 15 éventuellement en utilisant un multiplexeur). Ces signaux sont enregistrés pour chaque capteur CF élémentaire et chaque position de ces capteurs. L’étape (502) permet de générer une représentation de ces données par exemple sous la forme de cartographies de Courants de Foucault en amplitude et/ou en phase ou, ce qui est équivalent, sous la forme de 20 cartographies CF en parties réelle et imaginaire.
L’étape (504) consiste à évaluer la température du lit de poudres au voisinage de la zone inspectée par CF. Dans un mode de réalisation, l’évaluation de la température T° est réalisée par tout moyen précité, par exemple via une caméra IR sur l’ensemble du lit de poudres, ou plus 25 localement par un dispositif de mesure de température lié au capteur CF.
L’évaluation de la température peut être représentée sous la forme d’une cartographie de température. Les mesures sont transmises au système d’acquisition et de pilotage (1 16).
Dans un mode de réalisation alternatif de l’étape d’évaluation de 30 température, la température peut être évaluée par simulation, par exemple par application de la méthode des éléments finis. Dans une variante de réalisation où les étapes de mesure CF (502) et d’évaluation de température (504) sont séquentielles, le procédé peut enchaîner une première étape de mesure de température, une étape de mesure CF et une deuxième étape de mesure de température après la 5 mesure CF, afin de prendre en compte toute variation de température entre le début et la fin de la mesure par CF.
Après que les relevés de T° et de signaux CF (éventuellement sous la forme de cartographies T° et CF) soient transmis à l’unité d’acquisition et de pilotage (1 16), le procédé se poursuit à l’étape 10 suivante (506) pour corriger les données CF à partir des données de température. Les données peuvent éventuellement être prétraitées par rapport à des valeurs d’étalonnage, la cartographie de température peut aussi être ré-échantillonnée, et la correction des données CF ou de la cartographie CF à partir des données de température, se fait sur les 15 données prétraitées.
La correction de la cartographie CF est faite en évaluant une courbe donnant la variation de la conductivité en fonction d’une température donnée, soit de manière expérimentale, soit de manière théorique pour un lit de poudres donné. Pour une analyse quantitative 20 plus précise, comme expliqué ci-dessous, des abaques de référence peuvent être réalisées à partir de relevés expérimentaux de signaux CF obtenus sur des échantillons de poudre compactée représentatifs d’une pluralité de lits de poudre, en fonction de la température. Ceux-ci permettent de relier une signature électromagnétique aux propriétés 25 intrinsèques d’une poudre - matériaux/composition, granulométrie, morphologie, taux d’oxydation, humidité, ... - et aux caractéristiques de la mise en couche - taux de compacité, densité. Sur tout ou partie de ces échantillons, l’effet de la température sur les signaux mesurés peut également être quantifié au préalable, possiblement hors machine, en 30 utilisant par exemple un four asservi en température. Ces valeurs de références sont utilisées pour quantifier les propriétés du lit de poudres. Elles sont notamment nécessaires pour obtenir une évaluation quantitative de certains paramètres tels que la densité ou la compacité du lit de poudres.
Dans une étape suivante (508), le procédé permet de comparer les 5 valeurs corrigées à des valeurs de référence afin de déterminer s’il existe des défauts ou irrégularités du lit de poudres.
Il est possible de citer sans caractère limitatif, les défauts ou inhomogénéités liés à : la porosité ou le manque de matière, la présence de protubérances (éjectas, « balling », ...), la variation de compacité du lit 10 de poudres, la fissuration du lit de poudres, l’oxydation, etc.
Si des écarts par rapport à des valeurs de référence sont constatés, signifiant de possibles défauts, le procédé permet (branche « oui ») dans une étape suivante (512) une rétroaction sur le procédé général de FA tel que par exemple appliquer une action corrective comme 15 déclencher une nouvelle passe du système de mise en couche, avec potentiellement une augmentation de son couple moteur ou alors procéder à l’arrêt de la machine.
De manière avantageuse, le procédé permet que les zones dans lesquelles une/des pièce(s) en cours de fabrication est/sont soumise(s) 20 au flux de chaleur selon le procédé de FA (et leur voisinage) soi(en)t exclue(s) de l’analyse, du fait de la perturbation ramenée par la conductivité du matériau massif de la pièce.
S’il n’est pas constaté d’écart significatif entre les valeurs corrigées et les valeurs de référence (branche « non »), le procédé peut reboucler 25 au début pour une nouvelle inspection de mise en couche (510).
Ainsi, le procédé de l’invention permet à partir de l’estimation par Courants de Foucault de l’impédance du lit de poudres corrigée par une mesure de la température locale, la détection de défauts, et en particulier d’hétérogénéités, dans un lit de poudres lors de la mise en couche dans 30 un dispositif de Fabrication Additive. Dans un mode de réalisation, le procédé peut comprendre une étape de calibration initiale du capteur CF et de l’appareil CF de démodulation afin de compenser les dérives thermiques et permettre de réaliser des mesures comparatives. Une telle calibration est connue de 5 l’homme du métier comme étant réalisée couramment lors de la détection de défauts par la méthode des courants de Foucault. Cette étape peut être réalisée avant une mesure ou un cycle de mesures (en considérant que, durant le balayage de la pièce, la température des capteurs CF et de l’électronique de démodulation sera stable), préférentiellement avant et 10 après chaque mesure, dans le but de compenser une évolution de la température du capteur et éventuellement de l’électronique de démodulation.
Dans le cas d’un réseau de capteurs CF, il y a lieu de calibrer l’ensemble des capteurs CF élémentaires. Eventuellement, cette étape 15 peut être utilisée pour équilibrer les capteurs, ce qui est une étape également classique en méthode CF et qui consiste à ramener le signal CF à l’origine. Cette étape de calibration peut être réalisée selon l’une ou une combinaison des approches suivantes :
(a) Mesure du signal CF sur un ou plusieurs étalons aux propriétés 20 connues disposés dans l’équipement, e.g. au sein de la chambre de fabrication, en bordure du lit de poudres, présentant si possible des conductivités électriques proches de celle attendue dans le lit de poudres. Ces étalons peuvent inclure un ou plusieurs échantillons de poudre, de conductivité connue et stable (par exemple la poudre est enclose dans un 25 contenant n’interférant pas avec la mesure CF). Ces étalons peuvent également être composés de semiconducteurs à faible gap (de type InSb, InAs...) convenablement dopés pour être dans la bonne gamme de conductivités, ou de carbone ou de composites à base carbone, ces exemples ne revêtant aucun caractère limitatif. De manière avantageuse, 30 cette mesure de conductivité est réalisée avant et après chaque phase de mesure. Cette approche donne de meilleurs résultats, sans fortes contraintes.
(b) La phase de calibration est réalisée en amont voire en aval du procédé de fabrication FA, par l’emploi d’étalons similaires à ceux 5 employés pour l’approche (a) mais non intégrés à la machine. Ces mesures de références sont produites hors machine ou par l’introduction temporaire des étalons dans la machine. Ce mode ne permet néanmoins pas de s’affranchir des dérives du capteur et de l’électronique de démodulation au cours de la fabrication. Cette approche est plus simple 10 à mettre en oeuvre.
La séquence de calibration s’insère à différents stades du processus d’inspection du lit de poudres. Dans un mode particulier, le lit de poudres lui-même est utilisé comme référence pour la calibration du procédé. Une série de mesures de conductivité sur une surface 15 représentative du lit est réalisé. Une valeur moyenne - sur la totalité de la surface de mesure, ou uniquement sur les régions à faible variance (impédance, et/ou composante réelle et/ou imaginaire) - est calculée et sert de référence. Une série de mesures opérée sur le lit chauffé uniformément à différentes températures ou sur ce même lit présentant 20 des gradients de température contrôlés peut également permettre d’obtenir des points de calibrations de l’impédance Z’ de la poudre étudiée en fonction de la température T°, à savoir‘dZIdT. Les données de la calibration sont transmises à l’unité d’acquisition et de pilotage (1 16) pour être prises en compte lors du traitement des données (506). Et lors 25 de l’étape de détermination de défauts (508), la présence d’irrégularités du lit est déterminée de façon relative par rapport à cette ou ces valeurs de référence.
Dans un mode alternatif, aucune phase de calibration n’est réalisée, notamment dans le cas où l’appareil de démodulation est 30 robuste vis-à-vis des dérives thermiques. La présente description illustre des exemples d’implémentation de l’invention, mais n’est pas limitative, et doit permettre à l’homme du métier d’apporter des modifications et variantes d’implémentation en conservant 5 les mêmes principes, mais en tenant compte que l’inspection du lit de poudres par CF requiert de choisir quatre paramètres principaux :
- L’entrefer, i.e. la distance entre le capteur CF et le lit de poudres.
Celui-ci est minimisé afin d’accroitre la sensibilité, tout en conservant un écart suffisant pour éviter le contact entre le capteur
10 et les aspérités du lit de poudres. Dans un mode de réalisation, l’entrefer peut varier entre 50 pm et 1 cm, préférentiellement 50 pm et 2 mm. Un système de détection de ces protubérances peut optionnellement être ajouté, comme un profilomètre optique ou un système d’analyse d’images.
15 - L’épaisseur de lit de poudres à sonder : l’épaisseur d’inspection est typiquement de quelques dizaines de pm à quelques mm. Ce faisant, la présente invention permet de qualifier les dernières mises en couche.
- La fréquence d’excitation CF : comme indiqué précédemment, en
20 fonction de la nature du matériau à élaborer, de la granulométrie et de la morphologie des poudres, ainsi que de leur taux de compaction, les fréquences d’excitation peuvent varier entre 5 et 500 MHz, et préférentiellement entre 50 MHz et 200 MHz.
- La surface du bobinage CF doit être choisie en premier lieu en
25 fonction de la taille maximale du défaut recherché dans le lit de poudres. La zone active du système de réception doit de manière préférentielle être inférieure ou égale à l’étendue de la zone d’anomalie. Pour les capteurs magnétorésistifs, la dimension de la zone active peut varier entre 50 pm et 2 mm. Pour les capteurs inductifs, la dimension de la zone active peut varier entre 0.7 mm et 5 cm, préférentiellement 1 mm et 5 mm. Il peut être intéressant d’utiliser des outils de simulation pour évaluer ensuite le comportement du capteur vis-à-vis du bruit d’entrefer et de la 5 profondeur à laquelle des courants de Foucault sont générés.

Claims

Revendications
1. Un procédé (500) de contrôle de la qualité d’un lit de poudres dans un dispositif de fabrication additive, le procédé comprenant les
5 étapes de :
- mesurer (502) un signal électrique représentatif de valeurs de courants de Foucault, reçu en réponse à une excitation électromagnétique variable dans le temps produite par un émetteur sur une zone de poudre à inspecter d’une couche d’un lit de
10 poudres;
- évaluer (504) la température de la couche du lit de poudres au voisinage de la zone de poudre inspectée ;
- corriger (506) les valeurs du signal électrique mesuré représentatif de valeurs de courants de Foucault sur la zone de poudre
15 inspectée, en fonction des valeurs de température obtenues par l’évaluation de la température ;
- comparer (508) les valeurs corrigées à des valeurs de référence ; et
- déterminer (510, 512) en fonction du résultat de la comparaison, la
20 présence ou non de défaut dans ladite zone de poudre inspectée.
2. Le procédé selon la revendication 1 dans lequel :
- l’étape (502) de mesure d’un signal électrique consiste à calculer des valeurs d’amplitude et de phase du signal reçu; et
- l’étape (508) de comparaison consiste à comparer les valeurs
25 corrigées d’amplitude et de phase à des valeurs d’amplitude et de phase de référence.
3. Le procédé selon la revendication 1 dans lequel :
- l’étape (502) de mesure d‘un signal électrique consiste à mesurer une tension induite aux bornes d’un capteur, et à calculer une valeur d’impédance du lit de poudres au-dessous
5 de la zone de poudre inspectée ; et
- l’étape (508) de comparaison consiste à comparer la valeur corrigée d’impédance du lit de poudres à une valeur d’impédance de référence.
10 4. Le procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3 comprenant une étape initiale de calibration d’un appareil émetteur/récepteur à courants de Foucault permettant de réaliser l’étape de mesure, et dans lequel l’étape de corriger les valeurs de courants de Foucault représentées par ledit signal électrique 15 mesuré, prend en compte des données de calibration.
5. Le procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 4 dans lequel l’étape d’évaluation de la température de la couche consiste soit à faire une mesure directe de la température, soit à estimer la
20 température par simulation dont notamment par application d’une méthode des éléments finis.
6. Le procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 5 dans lequel l’étape de correction des valeurs de courants de Foucault
25 représentées par ledit signal électrique mesuré, consiste à corriger lesdites valeurs par rapport à des abaques de référence donnant la variation de la conductivité électrique en fonction de la température pour des lits de poudre donnés.
7. Le procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 6 dans lequel l’étape de détermination de la présence d’au moins un défaut dans ladite zone de poudre inspectée, consiste à identifier des écarts de valeurs qui sont représentatifs d’hétérogénéités en
5 surface ou d’oxydation du lit de poudres.
8. Le procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 7 dans lequel l’étape de mesure de signal électrique est faite sur une pluralité de zones de poudre du lit de poudres, à des fréquences
10 d’excitation identiques ou différentes.
9. Le procédé selon la revendication 8 dans lequel l’étape de corriger les valeurs de courants de Foucault consiste à corriger une valeur moyenne ou une variance du signal.
15
10. Le procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 9 dans lequel les étapes de mesure du signal électrique et d’évaluation de température sont réalisées de manière séquentielle.
20 11. Le procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 10 comprenant séquentiellement une première étape d’évaluation de température, une étape de mesure du signal électrique, et une deuxième étape d’évaluation de température afin de prendre en compte toute variation de température entre le début et la fin de la
25 mesure du signal électrique.
12. Le procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 9 dans lequel les étapes de mesure du signal électrique et d’évaluation de température sont réalisées de manière simultanée.
30
13. Un procédé de fabrication additive sur lit de poudres comprenant des étapes de contrôle de la qualité du lit de poudres conformes aux étapes du procédé de l’une quelconque des revendications 1 à 12.
14. Le procédé selon la revendication 13 dans lequel les étapes de
5 contrôle de la qualité du lit de poudres sont réalisées simultanément soit lors d’une opération de mise en couche par un racleur, soit suite à une opération de fusion.
15. Un dispositif de contrôle de la qualité d’un lit de poudres pour un
10 système de fabrication additive, le dispositif comprenant au moins un appareil émetteur/récepteur à courants de Foucault (1 12), un système d’évaluation de température (1 14), un système d’acquisition et de pilotage (1 16) permettant de recueillir et analyser des données relevées par l’appareil à courants de Foucault et par le
15 système d’évaluation de température, le dispositif de contrôle de la qualité du lit de poudres comprenant de plus des moyens pour mettre en oeuvre le procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 12.
20 16. Le dispositif selon la revendication 15 dans lequel l’appareil à courants de Foucault (1 12) comprend au moins une bobine pour réaliser la fonction d’excitation et au moins un capteur pour réaliser la fonction de réception.
25 17. Le dispositif selon la revendication 16 dans lequel le capteur en réception est un capteur inductif ou magnétorésistif.
18. Le dispositif selon l’une quelconque des revendications 15 à 17 dans lequel l’appareil à courants de Foucault opère à une ou une pluralité de fréquences d’excitation comprise dans une plage allant de 5 MHz à 500 MHz.
19. Le dispositif selon l’une quelconque des revendications 15 à 18
5 dans lequel le système d’évaluation de température est une caméra infrarouge ou un pyromètre couplé à l’appareil à courants de Foucault.
20. Le dispositif selon l’une quelconque des revendications 15 à 19
10 dans lequel l’appareil à courants de Foucault est couplé à un dispenseur de poudre du dispositif de fabrication additive.
21. Un système de fabrication additive comprenant un dispositif de contrôle de la qualité du lit de poudres selon l’une quelconque des
15 revendications 15 à 20.
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