EP3917704A1 - Fabrication additive par modulation de puissance laser - Google Patents

Fabrication additive par modulation de puissance laser

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EP3917704A1
EP3917704A1 EP20706576.4A EP20706576A EP3917704A1 EP 3917704 A1 EP3917704 A1 EP 3917704A1 EP 20706576 A EP20706576 A EP 20706576A EP 3917704 A1 EP3917704 A1 EP 3917704A1
Authority
EP
European Patent Office
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point
powder
laser beam
powder layer
temperature
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP20706576.4A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Gilles WALRAND
Christophe Tournier
Sylvain LAVERNHE
Kamel ETTAIEB
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
AddUp SAS
Ecole Normale Superieure de Paris
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
AddUp SAS
Ecole Normale Superieure de Paris
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 Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, AddUp SAS, Ecole Normale Superieure de Paris filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Publication of EP3917704A1 publication Critical patent/EP3917704A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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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.
  • Selective additive manufacturing consists in producing three-dimensional objects by consolidating selected areas on successive layers of powder material (metallic powder, ceramic powder, etc.). The consolidated zones correspond to successive sections of the three-dimensional object. Consolidation takes place, for example, layer by layer, by total or partial selective melting carried out with a power source.
  • high power laser sources or electron beam sources are used as the source for melting the powder layers.
  • the maximum temperature reached by the powder can exceed the evaporation temperature, and the temperature field within a layer of powder present large gradients.
  • a general aim of the invention is to overcome the drawbacks of the additive manufacturing processes of the prior art.
  • one aim of the invention is to provide a solution for better controlling the temperature field during the process.
  • the aim is achieved in the context of the present invention by virtue of a method of selective additive manufacturing of a three-dimensional object from a layer of powder, the method comprising the steps of:
  • the estimated temperature variation DT is estimated beforehand, as a function of the distance r21 between the first point and the second point and of the interval of predetermined time (t 2 -t 1 ), by calculating:
  • Q1 being an energy received by the layer during the emission of the laser beam so as to consolidate the first zone of the powder layer
  • ⁇ being a thermal effusivity of the powder layer
  • R being a ray of the laser beam
  • a being a thermal diffusivity of the powder layer
  • t 0 is a predetermined instant.
  • the n-th point being located at the distance rni from an i-th point of the powder layer
  • each i-th point being located within an i-th zone of the consolidated powder layer and being illuminated by the laser beam at the instant ti, as follows: in which T 0 is the initial temperature of the powder, and - a step of emission at the instant t n of a laser beam towards the n-th point so as to consolidate an n-th zone of the powder layer including the n-th point, with the power adjusted.
  • T 0 is the initial temperature of the powder
  • each i-th point of the (n-1) first points of the layer is located at a distance r ni from the n-th point of the powder layer such that
  • Vl is a predetermined spatial neighborhood
  • each i-th point corresponds to an instant t i of emission of the laser beam towards the i-th point
  • Vt is a predetermined temporal neighborhood
  • n an integer greater than or equal to two.
  • a power Pn of the laser beam emitted on the n-th point of the layer of additive manufacturing powder as a function of an estimate of a temperature before consolidation Tp (t n ) is calculated as follows in which Dt is a predetermined time step and Ts is a predetermined threshold temperature.
  • a threshold temperature Ts is predetermined as a function of at least one temperature objective chosen from the following conditions:
  • the laser scans a discontinuous trajectory comprising a first group of portions of straight lines parallel to each other.
  • the laser scans a continuous path comprising the first group of portions of straight lines parallel to each other and a second group of portions of straight lines, each portion of the straight line of the second group joining a first end of a first straight portion of the first group and a second end of a second right portion of the first group, the second right portion being adjacent to the first right portion.
  • the estimation of the temperature variation of the powder layer at the n-th point caused by the emission of the laser beam so as to consolidate one or more areas of the powder layer is carried out once the manufacturing process has start.
  • the invention also relates to a selective additive manufacturing apparatus suitable for carrying out the processes as described in this section.
  • the invention relates to an apparatus for selective additive manufacturing of a three-dimensional object from a layer of powder, the apparatus comprising:
  • control unit configured to control the laser type source so that the source emits a laser beam on a first point of the additive manufacturing powder layer, so as to consolidate a first zone of the powder layer comprising the first point
  • the device further comprising:
  • a memory for storing an estimated temperature variation of the powder layer at a second point of the powder layer caused by the emission of the laser beam so as to consolidate the first zone of the powder layer, the estimated temperature variation being a function of the distance between the first point and the second point and of a predetermined time interval,
  • control unit is configured for:
  • the apparatus can be supplemented by a computer or a simulator (C) adapted to determine estimates of temperature variations of the powder layer at an n-th point caused by the emission of the laser beam so consolidating one or more areas of the powder layer once the manufacturing process has started.
  • C a simulator
  • FIG. 1 is a schematic representation of an additive manufacturing device according to a possible embodiment of the invention.
  • - Figure 2 schematically shows a path located on the surface of a powder layer and scanned by a laser beam
  • - Figure 3 schematically shows a maximum temperature field reached by the powder, when the powder layer is scanned by a laser beam according to a technique known from the prior art
  • FIG. 4 schematically shows changes during a scanning of a powder layer by a laser beam, according to a technique known from the prior art, of a power of the laser beam emitted towards the powder layer , a temperature of the powder before consolidation, a temperature of the powder at the center point of the laser spot, and a maximum temperature reached by the powder;
  • FIG. 5 schematically shows a temperature map reached by the powder at the center point of the laser spot, according to a technique known from the prior art
  • FIG. 6 schematically shows changes during a scanning of a powder layer by a laser beam according to a possible embodiment of the invention of a power of the laser beam sent to the powder layer, a temperature of the powder before consolidation, a temperature of the powder at the center point of the laser spot, a target temperature of the powder at the center point of the laser spot and a maximum temperature reached by the powder;
  • FIG. 7 schematically shows a power field of the laser beam sent to the powder, when the powder layer is scanned by a laser beam according to a possible embodiment of the invention
  • FIGS. 8a and 8b schematically represent a detail of a path on the surface of a layer of powder scanned by a laser beam according to two techniques known from the prior art;
  • FIG. 9 schematically represents a path on the surface of a layer of powder scanned by a laser beam;
  • FIG. 10 diagrammatically represents changes during a scanning of a layer of powder by a laser beam according to a possible embodiment of the invention of a power of the laser beam emitted towards the layer of powder, a temperature of the powder before consolidation, a temperature of the powder at the center point of the laser spot, a target temperature of the powder at the center point of the laser spot and a maximum temperature reached by the powder;
  • Figure 11 schematically shows a power field of the laser beam sent to the powder, when the powder layer is scanned by a laser beam according to a possible embodiment of the invention
  • FIG. 12 schematically shows a maximum temperature field reached by the powder, when the powder layer is scanned by a laser beam according to a possible embodiment of the invention
  • FIG. 13 schematically shows a method for determining a spatial neighborhood and a temporal neighborhood of a point of the powder layer
  • FIG. 14 schematically represents a spatial neighborhood and a temporal neighborhood of a point of the powder layer
  • the selective additive manufacturing apparatus 121 of FIG. 1 comprises:
  • a support such as a horizontal plate 123 on which the various layers of additive manufacturing powder are successively deposited (metal powder, ceramic powder, etc.) making it possible to manufacture a three-dimensional object (object 122 in the shape of a tree in FIG. 1),
  • this arrangement 124 comprising for example a squeegee 125 and / or a layering roller for spreading the different successive layers of powder (movement according to the double arrow A),
  • an assembly 128 comprising at least one laser-type source 1212 for the fusion (total or partial) of the thin layers spread, the laser beam generated by the source 1212 comes into contact with the thin layers spread in the plane of powders, c ' that is to say in the plane where the powder layer has been spread by the squeegee 125.
  • control unit 129 which controls the various components of the device 121 as a function of pre-stored information (memory M), - a mechanism 1210 to allow the support to be lowered from the plate 123 as and when deposition of the layers (displacement according to the double arrow B).
  • At least one galvanometric mirror 1214 makes it possible to orient and move the laser beam coming from the source 1212 relative to the object 122 according to the information sent by the control unit. control 129. Any other deflection system can of course be considered.
  • the components of the device 121 are arranged inside a sealed enclosure 1217 which can be connected to an air or inert gas treatment circuit.
  • the air or inert gas treatment circuit may further be adapted to adjust the pressure within the sealed enclosure 1217 below or above atmospheric pressure.
  • FIG. 2 schematically represents a path situated on the surface of a layer of powder and scanned by a laser beam.
  • the powder layer is scanned by a laser beam in zigzags or back and forth so as to gradually consolidate the powder layer.
  • the laser is emitted towards a first point A 1 of the powder layer and scans at constant power and constant speed the powder layer along a first straight portion oriented in the direction of an X axis up to a point B 1 .
  • the first portion on the right corresponds to a value of the Y coordinate close to 0 and is scanned in the positive direction of the X axis.
  • the length of the straight portion A 1 B 1 is in this example equal to one millimeter.
  • Scanning the first right portion with a laser beam locally supplies the powder layer with enough energy to melt the powder and consolidate an area of the layer that includes the first right portion.
  • the laser emission to the powder layer is then interrupted.
  • the laser emission is reactivated so that the laser scans at constant power and constant speed a second portion of the line from a point B 2 to a point A 2 .
  • This right portion is parallel to the first right portion.
  • the second right portion corresponds to a value of the Y coordinate greater than that of the preceding right portion, and is scanned in the negative direction of the X axis.
  • the length of the second portion on the right is the same as that of the first portion.
  • the emission of the laser is interrupted, then reactivated to scan at constant power and constant speed in the positive direction of the X axis a third straight portion from a point A 3 to a point B 3 .
  • This right portion is parallel to the two previous straight portions, corresponding to a value of the Y coordinate greater than that of the two preceding straight portions.
  • Thermal effects of laser scanning at constant power Figure 3 shows schematically a field of maximum temperature reached by the powder, as it is scanned by a laser beam along the path described in Figure 2.
  • the temperature during of the manufacturing process can be determined by numerical simulation at any point of the powder layer.
  • this is the end that is scanned first by the laser.
  • Zone Z 1 shown in Figures 2 and 3 corresponds to such points of the powder layer. They are located towards the end of the third portion on the right which is scanned first by the laser.
  • the most important maximum temperatures correspond approximately to a temperature of 3500 Kelvins. This temperature may exceed the temperature vaporization of additive manufacturing powder. This is particularly the case when the additive manufacturing powder is composed of Ti6Al4V whose vaporization temperature is 3473K.
  • the vaporization of the powder can produce gaps in the manufactured article and spatter on already solidified areas, which can deteriorate the quality, the surface finish and the mechanical characteristics of the manufactured article.
  • Zone Z 2 represented in FIGS. 2 and 3 corresponds to points of the powder layer where the maximum temperatures are the least important. Zone Z 2 is located near zone Z1.
  • Relatively strong temperature gradients are located between zone Z1 and zone Z 2 of the powder layer. More generally, the start of the scanning of a new portion of the line is associated with relatively strong temperature gradients.
  • FIG. 4 schematically represents the changes in different magnitudes as a layer of powder is scanned by a laser beam along the path shown in FIG. 2 and as described above, the different sizes being:
  • the curve of the power of the laser beam represented as a function of time shows the scanning times of each portion of the line as they have been described above in the description of FIG. 2.
  • the scanning speed of the powder layer by the laser beam is one meter per second.
  • the laser beam scans each portion of the line in a millisecond.
  • the laser beam emission is suspended and the power drops to zero.
  • the curve of the power of the laser beam over time corresponds to a series of slots of width one millisecond and of constant height. Each portion on the right is scanned by the laser at a constant power of 300 W.
  • Each right portion corresponds to a slot
  • each instant u located on the horizontal axis of Time corresponds to a point M of the powder layer located on the path towards which the laser is emitted at the instant u.
  • the center of the laser spot sweeps the point M at the instant u.
  • laser spot is meant the laser spot corresponding to a cross section of the laser beam located at the intersection between the laser beam and the powder layer.
  • the laser spot can have a circular shape.
  • the temperature of the powder before consolidation 31 is an estimate of the temperature Tp of the powder layer at point M, just before the instant u. This estimate characterizes the diffusion at point M of the energy supplied before the instant u by the laser beam to the powder layer.
  • Curve 31 is obtained by digital simulation.
  • the temperature of the powder at the center point of the laser spot 32 is the temperature of the powder at a point scanned by the center of the laser spot at the instant of the passage of the laser. It corresponds to the estimate of the temperature of the powder at point M just after the instant u.
  • Curve 32 is obtained by digital simulation.
  • the maximum temperature reached by the powder 33 is an estimate of the maximum temperature which is reached by the powder at a point M during the manufacturing process. This estimate takes into account the energy supplied by the laser to point M at instant u as well as the scattering at point M of the energy supplied before instant u by the laser to the powder layer.
  • Curve 33 exhibits peaks shortly after the start of each square of curve 30. The temperatures corresponding to these peaks exceed 3500K and possibly the vaporization temperature of the additive manufacturing powder.
  • Curves 31, 32 and 33 show some similar variations.
  • curves 31, 32 and 33 show a sudden drop in signal around each end of a square wave of curve 30, this signal drop is followed by a sharp increase and then a slower decrease during the following square wave.
  • curve 30 before exhibiting a further sudden drop in signal around the end of this next slot.
  • the sweeping of a right portion of the powder layer corresponds to a maximum temperature reached which is low at the start of the sweep, then suddenly much higher before decreasing more and more until the end of the sweeping of the right portion.
  • the temperature before consolidation Tp and the temperature reached by the powder at the center point of the laser spot follow the same evolution.
  • FIG. 5 schematically represents a temperature map reached by the powder at the center point of the laser spot, when the powder layer is scanned by a laser beam along the trajectory of FIG. 2 and as described above. high.
  • Figure 5 and curve 32 of figure 4 provide two representations of the same magnitude "temperature reached by the powder at the center point of the spot laser ”.
  • this representation is spatial
  • curve 32 of FIG. 4 this representation is temporal.
  • the temperature at the center point of the laser spot is low at the start of scanning of a portion of the line, then suddenly much higher.
  • the zones Z 3a , Z 3b and Z 3c identified in FIG. 5 correspond to this variation. Once this sudden increase has passed, the temperature at the center point of the laser spot decreases more slowly until the end of the scanning of the right portion.
  • part of the energy supplied by the laser diffuses to the next right portion in the order of the laser scanning.
  • the next right-hand portion is heated, and in particular in the area opposite the points which have just been scanned by the laser. Over time, the energy diffuses more into the powder, so that the energy from the swept right portion which diffused at points in the area opposite the next straight portion passes through a maximum before decrease.
  • the emission of the laser beam towards the powder layer is interrupted at the end of the scanning of the right portion, then reactivated at the start of the next right portion. This discontinuity causes a decrease in the energy input from a right portion to the next right portion.
  • the temperature of the powder before consolidation 31 is lower at the very beginning of the right-hand portion compared to the rest of the right-hand portion.
  • This temperature difference before consolidation can be seen on curve 31 of FIG. 4, and corresponds to the drop in the signal in this curve located around each end of the square wave of curve 30.
  • the temperature at the center point of the laser spot depends in particular on the temperature before consolidation at the scanned point, that is to say on the energy coming from the previous straight portion which is present at this point at the time of its scanning by the laser.
  • the sixth and seventh portions P6 and P7 are indicated in FIG. 5. They are scanned in the direction of arrows F6 and F7. Different zones have been identified in these portions, they are scanned by the laser in the following order: Z 7a , Z 6a , Z 5a , Z 4a , Z 4b , Z 5b , Z 6b and Z 7b .
  • zone Z 4b There is relatively less energy diffused from the zones previously scanned at the very beginning of the right-hand portion, for example in zone Z 4b because of the interruption of the laser emission between zones Z 4a and Z 4b .
  • zone Z 6a which diffused in zone Z 6b at the time of scanning of zone Z 6b , is:
  • the temperature field illustrated in FIG. 5 corresponds to the temperature field at the center point of the laser spot. This field is inhomogeneous with strong temperature gradients, in particular at the ends of the right-hand portions which are scanned first. Trajectories in the powder layer scanned by the modulated power laser A method is proposed in order to better control the temperature field reached by the powder at the center of the laser spot and consequently the field of maximum temperature reached, by modulating the laser power during the scanning of the powder.
  • a path in the powder layer to be scanned at constant speed by the laser is chosen.
  • This path can be virtually cut into segments Sn, for example of identical length, then corresponding to identical laser scanning times.
  • Each Sn segment can be characterized in particular by an n-th point of the powder layer included in the Sn segment and an instant tn from which the segment is scanned by the laser.
  • a calculation of the laser beam power with which each segment is scanned is performed in the order of the scanning of the different segments.
  • this calculation includes the following steps:
  • the threshold temperature Ts is a temperature of the layer to be reached without be passed at the center point of the laser spot
  • FIG. 6 corresponds to the application of such a method in the case of the scanning of a layer of powder by a laser beam along the trajectory shown in FIG. 2.
  • FIG. 6 schematically represents the evolutions of different quantities as the scanning progresses, the different quantities being:
  • the magnitudes represented in the curves 41, 42 and 43 are defined respectively in the same way as the magnitudes represented in the curves 31, 32 and 33, but in the case where the method is applied to better control the temperature field.
  • the scanning speed of the powder layer by the laser beam is one meter per second.
  • the laser beam scans each portion of the line in a millisecond.
  • the laser beam emission is suspended and the power drops to zero.
  • the laser beam power curve 40 over time shows signal drops to zero for one millisecond, two milliseconds, and so on every milliseconds.
  • the sweep of each portion of the line corresponds to a time interval between two drops of the signal to zero.
  • the curve of the power 40 of the laser beam during the first millisecond is constant, the power being kept constant during the scanning of the first right portion.
  • the power of the laser beam is maximum at the very beginning of the right-hand portion, then decreases sharply and then increases more slowly during the scanning.
  • These variations in the power of the laser beam during scanning are opposed to the variations in the maximum temperature as described in the case of the maximum temperature curve 33 in FIG. 4.
  • the powder temperature curve before consolidation 41 of FIG. 6 presents certain variations similar to the temperature curve of the powder before consolidation 31 of FIG. 4.
  • the curve 41 exhibits a sudden drop in signal around each end of the scan of a straight portion, this signal drop is followed by a sudden increase then a slower decrease during the scan of the portion. next right.
  • the amplitude of the variations of the curve 41 is however less than the amplitude of the variations of the curve 31: from the second straight portion scanned by the laser beam, the curve 41 changes between the temperature values 1200K and 2200K, i.e. an interval of 1000K, while the curve 31 changes between the temperature values 1400K and 2700K, ie an interval of 1300K.
  • Curve 44 represents an objective for the temperature of the powder at the center point of the laser spot. More precisely, this is a temperature of the powder to be reached without being exceeded at a point of the powder layer scanned by the center of the laser spot at the instant of the passage of the laser.
  • the curve 44 is constant: the temperature of the layer to be reached without being exceeded at the center point of the laser spot is the same during the scanning of the laser and the manufacturing process. This temperature can be called the threshold temperature Ts.
  • Curve 42 is, at the very start of the scanning of each right-hand portion, less than curve 44, then during the remainder of the scanning of the right-hand portion, the two curves 42 and 44 coincide.
  • the objective of the temperature of the powder at the center point of the laser spot is reached quickly after the start of the scanning of each right portion by the laser beam.
  • the amplitude of the variations of the curve 42 is less than the amplitude of the variations of the curve 32: from the second straight portion scanned by the laser beam, the curve 42 evolves between the temperature values 1800K and 2300K, i.e. a interval of 500K, while the curve 32 evolves between the temperature values 1600K and 3100K, ie an interval of 1500K.
  • the method makes it possible to drastically reduce the variations in the temperature of the powder at the center point of the laser spot compared to the situation in FIG. 4.
  • Curve 43 shows peaks shortly after the start of scanning of each portion on the right by the laser beam. .
  • the temperatures corresponding to these peaks do not exceed 3000K and are clearly below the vaporization temperature of the Ti6Al4V material.
  • the temperature reached by the powder during the application of the new method can thus be lower than the vaporization temperature of the powder. This makes it possible to reduce the energy consumed during the additive manufacturing process and to avoid vaporization and material gaps in the manufactured object.
  • the amplitude of the variations of the curve 43 is clearly less than the amplitude of the variations of the curve 33: from the second straight portion scanned by the laser beam, the curve 43 evolves between the values of temperatures 2600K and 2900K, ie an interval of 300K, while the curve 33 changes between the temperature values 2900K and 3600K, ie an interval of 700K.
  • FIG. 7 diagrammatically represents a power field of the laser beam sent towards the powder, in the same mode of scanning the powder layer by a laser beam as that of FIG. 6.
  • the power is constant, equal to approximately 300 W, during the first straight portion located at the bottom of FIG. 7.
  • FIG. 8a schematically shows a detail of a path for scanning a powder layer by a laser beam along the path shown in Figure 2 and as described above
  • the power of the laser beam is modulated during the scanning according to the proposed method in order to better control the temperature field.
  • the trajectory presents a discontinuity between the straight portion 48 and the next straight portion 49.
  • the laser scans the straight portion 48 and passes in particular through the points 48a, 48b, 48c, 48d and 48e. These points correspond to the ends of segments Sn of identical length which virtually cut out the straight portions scanned by the laser and for which a power of the laser beam is calculated.
  • the circle 51a corresponds to the laser spot which illuminates the powder layer at point 48a.
  • Surface 52a corresponds to the thermal effect of scanning the laser up to point 48a.
  • the surface 52a is all the more important as the temperature reached at point 48a is important.
  • the surface 52a depends on the one hand on the power of the laser beam sent to the point 48a and on the other hand on the energy supplied by the laser to the layer of powder upstream of the point 48a and which has diffused up to the point 48a .
  • the thermal effects of the laser scanning increase as the straight portion 48 is scanned.
  • the areas 52b, 52c, 52d and 52e are increasingly large.
  • the power of the laser beam increases as the scanning progresses, as mentioned in the description of FIG. 7.
  • the energy scattered in the powder layer in the scanning direction is more and more important as the scanning progresses. scan of the right portion 48.
  • the laser emission is interrupted. It is reactivated so that the laser beam is emitted towards point 49e.
  • the laser beam then scans the right portion 49 in the direction opposite to the right portion 48, from point 49e to point 49a.
  • the thermal effects of the laser scanning increase with the scanning of the right portion 49.
  • the surfaces 53e, 53d, 53c, 53b and 53a are, in this order, more and more important.
  • Area 53e corresponding to the thermal effect of scanning the laser to point 49e is significantly smaller than area 52e.
  • the discontinuity of the scanning that is to say the interruption of the emission of the laser between the points 48e and 49e, as well as the change in the direction of scanning between these points participate in reducing the energy diffused in the layer of powder between points 48th and 49th.
  • the thermal effect of the laser scanning is greater at the point 48th than at point 49th.
  • the temperature field reached by the powder at the center of the laser spot reached is not homogeneous on the path scanned in the case of the figure 8a and FIG. 6.
  • the temperature curve of the powder before consolidation 41 and the temperature curve of the powder at the center point of the laser spot 42 present both a signal drop.
  • the power of the laser beam is modulated during the scanning according to the proposed method in order to better control the temperature field.
  • the trajectory has continuity between the straight portion 48 and the next straight portion 49, with the addition of a straight portion 50 which joins the 48th end of the straight portion 48 and the 49th end of the portion. right 49th.
  • the right-hand portion 50 is scanned by the laser beam from point 48e to point 49e, passing in particular through point 50a with which the surface 54a is associated which characterizes the thermal effect of the laser scanning up to point 50a.
  • FIG. 9 schematically represents a trajectory on the surface of a layer of powder scanned by a laser beam according to a proposed form of trajectory.
  • the trajectory is continuous and comprises a first group of portions of parallel lines which correspond to the portions of parallel lines of the trajectory shown in FIG. 2.
  • the trajectory of FIG. 9 comprises a second group of portions of straight lines, each portion of the straight line second group joining a first end of a first portion of line of the first group and a second end of a second line portion of the first group, the second line portion being close to the first line portion.
  • FIG. 10 schematically represents the changes in different quantities as the scanning progresses, the different quantities being:
  • the quantities represented in curves 71, 72 and 73 are defined respectively in the same way as the quantities represented in curves 31, 32 and 33, but in the case where the method is applied to better control the temperature field on the case of a continuous trajectory.
  • the scanning speed of the powder layer by the laser beam being equal to one meter per second, and the length of each right portion of the first group of straight portions being equal to one millimeter, the laser beam scans each right portion of the first group in a millisecond.
  • the curve of the power 70 of the laser beam during the first millisecond is constant, the power is kept constant during the scanning of the first portion on the right.
  • the power of the laser beam does not drop to zero, and a certain time is required for the laser to scan the right portion of the second group.
  • the power curve 70 presents, from the second right portion of the first group, a regular pattern and a time period which is greater than one millisecond.
  • Contour 75 surrounds an area of curve 70 which shows the two consecutive sequences of rapidly decreasing and increasing signal.
  • Each of the two consecutive sequences corresponds to a change in the scanning direction of the laser.
  • the first sequence corresponds to the transition from a right portion of the first group to a right portion of the second group.
  • the second sequence corresponds to the transition from the right portion of the second group to a right portion of the first group.
  • the power of the laser beam passes through a maximum at the very beginning of the line portion, then decreases sharply.
  • the temperature curve of the powder before consolidation 71 exhibits variations, which from the second right-hand portion of the first group, are regular with the same time period greater than one millisecond as the time period described for the curve 70.
  • the temperature of the powder before consolidation at the very beginning of the right-hand portion of the first group has been increased in FIG. 10 compared to the situation in FIG. 6.
  • curve 74 is constant: the the temperature of the layer to be reached without being exceeded at the center point of the laser spot is the same during the scanning of the laser and the manufacturing process. This temperature can be called the threshold temperature Ts.
  • the curve 72 is, at the very beginning of the scanning of the trajectory, less than the curve 44, then during the remainder of the scanning of the trajectory the two curves 42 and 44 coincide.
  • the target temperature of the powder at the center point of the laser spot is reached quickly after the start of the scanning of the first right portion by the laser beam.
  • the amplitude of the variations of the curve 72 is markedly less than the amplitude of the variations of the curve 42: from the second straight portion scanned by the laser beam, the curve 72 appears constant, while the curve 42 changes between the temperature values 1600K and 2300K, i.e. an interval of 700K.
  • the proposed continuous path makes it possible to drastically reduce the variations in the temperature of the powder at the center point of the laser spot compared to the situation in FIG. 6.
  • the curve 73 presents, from the second right portion of the first group, a pattern regular with the same time period greater than one millisecond as the time period described for curves 70 and 71.
  • the maximum temperatures reached during these patterns do not exceed 3000K and are clearly below the vaporization temperature of the Ti6Al4V material.
  • the temperature reached by the powder during the application of the new method and according to the proposed continuous trajectory can thus be lower than the vaporization temperature of the powder. This makes it possible to reduce the energy consumed during the additive manufacturing process and to avoid vaporization and material gaps in the manufactured object.
  • FIG. 11 schematically represents a power field of the laser beam sent to the powder, in the same mode of scanning the powder layer by a laser beam as that of FIG. 10.
  • the power of the laser beam is constant, equal to approximately 300 W, during the first straight portion located at the bottom of FIG. 11.
  • the power of the laser beam is maximum at the very start of the scan, then drops sharply before increasing again more slowly during the scan of the portion on the right.
  • the continuity of the trajectory makes the very end of the sweep of one section of the line coincide with the very start of the sweep of the next section of the line.
  • FIG. 12 schematically represents a maximum temperature field reached by the powder, when the powder layer is scanned by the laser beam, in the same mode of scanning the powder layer by a laser beam as that of FIG. 10 .
  • the maximum temperature field presents in figure 12 a greater homogeneity than in figure 3.
  • the maximum temperature is between 1700K and 2800K in figure 12, while it is between 1800K and 3500K in figure 3.
  • the temperature gradients in the case of figure 12 are lower than in the case of figure 3.
  • This estimate takes into account the diffusion at said point of the energy previously supplied by the laser to the powder layer.
  • a temperature variation of the powder layer at a second point distinct from the first point of the powder layer caused by the emission of the laser beam so as to consolidate the first zone of the powder layer can be estimated according to the distance between the first point and the second point and a predetermined time interval.
  • this estimated temperature variation DT can be determined as follows as a function of the distance r 21 between the first point and the second point and of a predetermined time interval (t 2 -t 1 ):
  • Q 1 is the energy received by the layer during the emission of the laser beam so as to scan the first segment
  • ⁇ is a thermal effusivity of the powder layer
  • R is a ray of the laser beam
  • a is a thermal diffusivity of the powder layer
  • t 0 is a predetermined instant.
  • the energy Q 1 can be defined as the product of the power of the laser beam emitted on the first point by the emission time of the laser beam on this first point. If the laser beam is scanned along a trajectory, it is possible to define a time step t and to divide the trajectory into sections, each section being scanned by the laser beam for a duration equal to the time step t . If these sections are small enough, it is possible to consider that the energy sent to the section is sent to a single point of the section.
  • the laser spot has a circular shape defined by a ray R.
  • the formula used here is taken from a model that applies to the diffusion of heat in solids, which model can also be applied to solid additive manufacturing powders including metallic ceramic powders.
  • This formula can be used to establish the temperature of the powder at the second point at any time subsequent to time t 1 .
  • this formula can be used to establish the temperature of the powder before consolidation Tp (t 2 ) at the second point, that is to say the temperature of the powder at the second point just before the laser illuminates this second point.
  • the temperature of the powder before consolidation Tp (t 2 ) at the second point located at a distance r21 from the first point of the powder layer at time t 2 can be estimated from the relation
  • T 0 is the initial temperature of the powder.
  • the emission of a laser beam on the first point of the layer of additive manufacturing powder takes place at time t 1 .
  • This estimate makes it possible to implement a selective additive manufacturing process for a three-dimensional object from a layer of powder, the process comprising the steps of:
  • Said adjusted power, denoted P 2 can be calculated as a function of the estimate of the temperature before consolidation Tp (t 2 ) as follows: in which Dt is a time step, Ts is a predetermined threshold temperature and t 0 is a predetermined instant. In this particular situation, one can choose
  • the temperature before consolidation can be estimated in the situation of a path in the powder layer comprising several points illuminated by the laser.
  • the temperature of the powder before consolidation Tp (t n ) at an instant t n at an n-th point, n being an integer greater than or equal to two, can be estimated knowing the energy provided by the laser beam to the layer of powder before time tn.
  • Each i-th point, with is illuminated by the laser beam at the instant ti and is located within an i-th zone of the powder layer consolidated thanks to the energy Qi supplied by the laser beam around the instant t i .
  • the distance between the i-th point and the n-th point is denoted by r ni .
  • the n-th point being located at the distance r ni from an i-th point of the powder layer
  • each i-th point being located within an i-th zone of the consolidated powder layer and being illuminated by the laser beam at the instant ti, as follows: in which T0 is the initial temperature of the powder,
  • Said adjusted power can be calculated as a function of the estimate of the temperature before consolidation Tp (t n ) as follows: in which Dt is a time step, Ts is a predetermined threshold temperature and t 0 is a predetermined instant. Scanning Speed and Time Step The path in the powder layer, comprising several points illuminated by the laser, can be scanned at a constant or variable scanning speed of the laser beam.
  • the trajectories scanned by the laser corresponding to FIGS. 2 to 12 as presented above have been described on several occasions as trajectories scanned by the laser at a constant scanning speed of the laser beam.
  • the adjustment of the power of the laser beam according to the estimates of temperature variation can be well implemented by using laser beam scanned paths of varying scanning speed.
  • the scanning speed can be modulated to improve the temperature homogeneity.
  • the trajectories scanned by the laser corresponding to FIGS. 2 to 12 as presented above have been repeatedly described as trajectories swept with a time step. constant for the whole trajectory.
  • the adjustment of the scanning speed of the laser beam according to the estimates of temperature change can be well implemented using a variable time step.
  • the time step Dt can be chosen to be variable during the trajectory.
  • the time step can be chosen lower in situations where the successive adjusted powers differ by a relatively large difference, and greater in situations where the successive adjusted powers differ by a relatively small difference.
  • the trajectory can be virtually cut into segments Sn of identical or different length therefore corresponding to identical or different laser scanning times.
  • Each segment Sn is scanned by the laser spatially from a first end corresponding to the n-th point and temporally from the instant t n .
  • Temperature target The threshold temperature Ts as it appears in the formula corresponds exactly to the temperature of the powder reached at the n-th point where the center of the laser spot passes at time tn.
  • the threshold temperature Ts can therefore be chosen as a function of a temperature of the powder desired at a point where the center of the laser spot passes and when the laser passes. However, the threshold temperature Ts can be chosen as a function of other criteria.
  • the threshold temperature Ts can in particular be chosen as a function of temperature objectives from the following conditions:
  • the determination of the adjusted powers requires the determination of the estimates of temperature variations of the powder layer at the various points included in the trajectory.
  • the determination of the estimates of temperature variations can be carried out before the start of the process, or after the manufacturing process has started.
  • the estimation of the temperature variation of the powder layer at the nth point caused by the emission of the laser beam so as to consolidate an area of the powder layer is carried out after the manufacturing process started, it is necessary to have a computer or a simulator which processes the different points of the trajectory sufficiently quickly.
  • the speed at which the different points are processed by the simulator must be greater than or at least equal to the speed the laser beam illuminates or scans these same points.
  • the determination of the adjusted powers takes more time than the estimate is precise, that is to say that the number of points taken into account is large.
  • the temporal neighborhood Vt represents the duration of the thermal effects of the sweeping of a path segment. Beyond this period, the effect on the temperature of the powder of the energy diffused into the environment of the scanned segment and provided during its scanning can be considered negligible.
  • the spatial neighborhood Vl represents the maximum distance of the thermal effects of the sweeping of a path segment. Beyond this distance, the effect on the temperature of the powder of the energy diffused into the environment of the scanned segment and supplied during its scanning can be considered negligible.
  • the negligible character requires defining a threshold difference in temperature Ds. The thermal effects of sweeping corresponding to temperature variations below this difference are considered negligible.
  • the temporal neighborhood Vt and the spatial neighborhood Vl can be determined from the following method, illustrated in Figure 13:
  • the parameters of the laser scanning process power of the laser beam and radius of the laser beam, scanning speed of the laser
  • the simulator delivers an estimate of the temperature of the powder in a predefined spatial domain which includes the trajectory defined in the previous step.
  • the temperature estimate delivered by the simulator corresponds to the temperature of the powder at a predefined instant located temporally at the end of the scanning of the entire trajectory by the laser after a time of thermalization of the powder.
  • This estimate can be calculated from the elements that have already been defined previously such as the virtual division of the trajectory into segments and the sum of temperature variations at different points in the spatial domain due to the scanning of each segment by the laser.
  • a map of the temperatures of the powder is obtained in the predefined spatial domain at the predefined instant.
  • an isothermal curve corresponding to the sum the initial temperature of the powder T 0 and the threshold temperature difference Ds is determined within the temperature map obtained in the second step. This isothermal curve corresponds to an increase in temperature of the threshold temperature difference D s .
  • the spatial neighborhood is determined as the maximum distance in the direction perpendicular to the line portion type trajectory between two points of the isothermal curve determined in the previous step.
  • the temporal neighborhood is determined as the ratio to the scanning speed of the laser of the maximum distance in the direction of the straight portion type trajectory between two points of the isothermal curve determined in the third step.
  • FIG. 14 represents the distances useful for determining the spatial neighborhood and the temporal neighborhood.
  • the X axis shown in Figure 14 represents the direction of the right portion of the path defined in the first step of the previous method. The trajectory is swept in the direction of the increasing Xs.
  • the Y axis represents the direction perpendicular to the line portion type trajectory.
  • the closed curve 100 represents the isothermal curve defined during the third step of the preceding method.
  • the spatial neighborhood corresponds to the length of segment 101.
  • the maximum distance between two points of the isothermal curve determined in the third step in the direction of the straight portion type trajectory corresponds to the length of the segment 102.
  • the ratio of the length of the segment 102 to the scanning speed allows the temporal neighborhood to be defined.
  • the estimation of a temperature of the powder before consolidation Tp at an instant tn at an n-th point of the layer can be carried out by taking into account the variations in temperature of the powder due to the emission of d 'a laser beam so as to illuminate n-1 points of the powder layer, each i-th point, with is illuminated by the laser beam at the instant t i and is located at a distance rni from the n-th point of the powder layer, such as for each the following inequalities are respected:
  • the selective additive manufacturing apparatus 121 shown in Fig. 1 and as previously shown includes the control unit 129 which can be configured to control the laser-like source 1212 so that the source emits a laser beam onto it. a first point of the additive manufacturing powder layer, so as to consolidate a first zone of the powder layer comprising the first point.
  • the selective additive manufacturing apparatus 121 may include a memory M for storing an estimated temperature variation of the powder layer at a second point of the powder layer caused by the emission of the laser beam so as to consolidate the first zone of the powder layer, the estimated temperature variation being a function of the distance between the first point and the second point and of a predetermined time interval, the control unit 129 can be configured for:
  • the selective additive manufacturing apparatus 121 may also include a calculator or a C simulator shown in Figure 1 to determine estimates of temperature changes once the manufacturing process has started.
  • the computer or the simulator C is suitable for processing the various points of the trajectory sufficiently quickly, in particular the time during which the various points are processed by the computer or the simulator must be less than or at least equal to the time taken by the laser beam to illuminate or scan these same points at the preset speed.
  • Such a calculator or simulator C can collaborate with the memory M so as to store the estimates of temperature variations once they have been produced.

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Abstract

L'invention concerne un procédé de fabrication additive sélective d'un objet tridimensionnel à partir d'une couche de poudre, le procédé comprenant les étapes de : - application d'une couche de poudre de fabrication additive sur un support ou sur une couche préalablement consolidée, - émission d'un faisceau laser sur un premier point de la couche de poudre de fabrication additive, de sorte à consolider une première zone de la couche de poudre comprenant le premier point, le procédé comprenant en outre - un ajustement d'une puissance du faisceau laser en fonction d'une variation de température estimée de la couche de poudre en un deuxième point distinct du premier point de la couche de poudre causée par l'émission du faisceau laser de sorte à consolider la première zone de la couche de poudre, la variation de température estimée étant fonction de la distance entre le premier point et le deuxième point et d'un intervalle de temps prédéterminé, - une émission d'un faisceau laser sur le deuxième point avec la puissance ajustée de sorte à consolider une deuxième zone de la couche de poudre comprenant le deuxième point, l'émission du faisceau laser sur le premier point et l'émission du faisceau laser sur le deuxième point étant temporellement séparées de l'intervalle de temps prédéterminé.

Description

FABRICATION ADDITIVE PAR MODULATION DE PUISSANCE LASER DOMAINE TECHNIQUE GENERAL ET ART ANTERIEUR
La présente invention concerne le domaine général de la fabrication additive 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.
Classiquement, on utilise comme source pour réaliser la fusion des couches de poudre des sources laser de forte puissance ou des sources de faisceau d’électrons.
Classiquement, au cours du procédé de fabrication d’un objet tridimensionnel utilisant une source laser de forte puissance, la température maximale atteinte par la poudre peut dépasser la température d’évaporation, et le champ de température au sein d’une couche de poudre présente d’importants gradients.
La perte de matière par évaporation et les forts gradients provoquent des contraintes résiduelles qui ont un effet sur les caractéristiques mécaniques de l’objet, en particulier des déformations locales, des fissures de l’ordre du micromètre voire au-delà, entraînant des micro fissures et des dislocations de couches.
Il y a donc un besoin de mieux contrôler le champ de température de la couche de poudre au cours du procédé de fabrication.
PRESENTATION GENERALE DE L’INVENTION
Un but général de l’invention est de pallier les inconvénients des procédés de fabrication additive de l’art antérieur. Notamment, un but de l’invention est de proposer une solution pour mieux contrôler le champ de température au cours du procédé.
Le but est atteint dans le cadre de la présente invention grâce à un procédé de fabrication additive sélective d’un objet tridimensionnel à partir d’une couche de poudre, le procédé comprenant les étapes de :
- application d’une couche de poudre de fabrication additive sur un support ou sur une couche préalablement consolidée,
- émission d’un faisceau laser sur un premier point de la couche de poudre de fabrication additive, de sorte à consolider une première zone de la couche de poudre comprenant le premier point,
le procédé comprenant en outre
- un ajustement d’une puissance du faisceau laser en fonction d’une variation de température estimée de la couche de poudre en un deuxième point distinct du premier point de la couche de poudre causée par l’émission du faisceau laser de sorte à consolider la première zone de la couche de poudre, la variation de température estimée étant fonction de la distance entre le premier point et le deuxième point et d’un intervalle de temps prédéterminé,
- une émission d’un faisceau laser sur le deuxième point avec la puissance ajustée de sorte à consolider une deuxième zone de la couche de poudre comprenant le deuxième point, l’émission du faisceau laser sur le premier point et l’émission du faisceau laser sur le deuxième point étant temporellement séparées de l’intervalle de temps prédéterminé. Un tel procédé est avantageusement complété par les différentes caractéristiques ou étapes suivantes prises seules ou en combinaison : - la variation de température estimée DT est préalablement estimée, en fonction de la distance r21 entre le premier point et le deuxième point et de l’intervalle de temps prédéterminé (t2-t1), en calculant :
Q1 étant une énergie reçue par la couche au cours de l’émission du faisceau laser de sorte à consolider la première zone de la couche de poudre, ɛ étant une effusivité thermique de la couche de poudre, R étant un rayon du faisceau laser, a étant une diffusivité thermique de la couche de poudre et t0 est un instant prédéterminé. - Un ensemble des deux étapes suivantes :
- une étape d’ajustement d’une puissance du faisceau laser en fonction d’une estimation d’une température de la poudre avant consolidation Tp(tn)à un instant tn en un n-ème point de la couche, n étant un nombre entier supérieur ou égal à deux, l’estimation dépendant des variations en température de la poudre dues à l’émission d’un faisceau laser de sorte à consolider n-1 zones de la couche de poudre,
le n-ème point étant situé à la distance rni d’un i-ème point de la couche de poudre, avec
chaque i-ème point étant situé au sein d’une i-ème zone de la couche de poudre consolidée et étant éclairé par le faisceau laser à l’instant ti, de la manière suivante : dans laquelle T0 est la température initiale de la poudre, et - une étape d’émission à l’instant tn d’un faisceau laser vers le n- ème point de sorte à consolider une n-ème zone de la couche de poudre comprenant le n-ème point, avec la puissance ajustée. - dans l’estimation d’une température de la poudre avant consolidation Tp(tn) à un instant tn en un n-ème point de la couche, chaque i-ème point des (n-1) premiers points de la couche est situé à une distance rni du n-ème point de la couche de poudre telle que
dans lequel Vl est un voisinage spatial prédéterminé, et chaque i-ème point correspond à un instant ti d’émission du faisceau laser vers le i-ème point tel que
dans lequel Vt est un voisinage temporel prédéterminé, avec
et n un nombre entier supérieur ou égal à deux. - une puissance Pn du faisceau laser émis sur le n-ème point de la couche de poudre de fabrication additive en fonction d’une estimation d’une température avant consolidation Tp(tn) est calculée de la manière suivante dans laquelle Dt est un pas temporel prédéterminé et Ts est une température seuil prédéterminée. - une température seuil Ts est prédéterminée en fonction d’au moins un objectif de température choisi parmi les conditions suivantes :
- une température de la poudre à atteindre en un point où passe le centre du spot laser et au moment du passage du laser, - une température de la poudre maximale atteinte au cours du temps en un point où passe le centre du spot laser,
- une température de la poudre maximale atteinte au cours du temps en un point de la couche de poudre, - une température supérieure à ne pas dépasser au cours du temps en tout point de la couche de poudre,
- une température inférieure sous laquelle ne pas passer en tout point de la poudre, ou
- une combinaison de ces conditions éventuellement variable au cours du procédé de fabrication. - le laser balaye une trajectoire discontinue comprenant un premier groupe de portions de droites parallèles entre elles. - le laser balaye une trajectoire continue comprenant le premier groupe de portions de droites parallèles entre elles et un deuxième groupe de portions de droites, chaque portion de droite du deuxième groupe joignant une première extrémité d’une première portion de droite du premier groupe et une deuxième extrémité d’une deuxième portion de droite du premier groupe, la deuxième portion de droite étant voisine de la première portion de droite. - l’estimation de la variation de température de la couche de poudre au n-ème point causée par l’émission du faisceau laser de sorte à consolider une ou plusieurs zones de la couche de poudre est réalisée une fois que le procédé de fabrication a commencé. L’invention porte également sur un appareil de fabrication additive sélective adapté pour mettre en œuvre les procédés tels qu’on les a décrits dans cette section.
En particulier, l’invention porte sur un appareil de fabrication additive sélective d’un objet tridimensionnel à partir d’une couche de poudre, l’appareil comprenant :
- une source de type laser,
- une unité de contrôle configurée pour commander la source de type laser de sorte que la source émette un faisceau laser sur un premier point de la couche de poudre de fabrication additive, de sorte à consolider une première zone de la couche de poudre comprenant le premier point,
l’appareil comprenant en outre :
- une mémoire pour mémoriser une variation de température estimée de la couche de poudre en un deuxième point de la couche de poudre causée par l’émission du faisceau laser de sorte à consolider la première zone de la couche de poudre, la variation de température estimée étant fonction de la distance entre le premier point et le deuxième point et d’un intervalle de temps prédéterminé,
et dans lequel l’unité de contrôle est configurée pour :
- ajuster une puissance du faisceau laser en fonction de la variation de température estimée mémorisée dans la mémoire, - commander la source de type laser de sorte que la source émette un faisceau laser sur le deuxième point avec la puissance ajustée de sorte à consolider une deuxième zone de la couche de poudre comprenant le deuxième point, l’émission du faisceau laser sur le premier point et l’émission du faisceau laser sur le deuxième point étant temporellement séparées de l’intervalle de temps prédéterminé. Avantageusement, mais facultativement, l’appareil peut être complété par un calculateur ou un simulateur (C) adapté pour déterminer des estimations de variations de température de la couche de poudre en un n-ème point causée par l’émission du faisceau laser de sorte à consolider une ou plusieurs zones de la couche de poudre une fois que le procédé de fabrication a débuté.
PRESENTATION 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 dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une représentation schématique d’un appareil de fabrication additive conforme à un mode de réalisation possible de l’invention.
- la figure 2 représente de manière schématique une trajectoire située à la surface d’une couche de poudre et balayée par un faisceau laser ; - la figure 3 représente de manière schématique un champ de température maximale atteinte par la poudre, lorsque la couche de poudre est balayée par un faisceau laser selon une technique connue de l’art antérieur ;
- la figure 4 représente de manière schématique des évolutions au cours d’un balayage d’une couche de poudre par un faisceau laser, selon une technique connue de l’art antérieur, d’une puissance du faisceau laser émis vers la couche de poudre, d’une température de la poudre avant consolidation, d’une température de la poudre au point centre du spot laser, et d’une température maximale atteinte par la poudre ;
- la figure 5 représente de manière schématique une cartographie de température atteinte par la poudre au point centre du spot laser, selon une technique connue de l’art antérieur ;
- la figure 6 représente de manière schématique des évolutions au cours d’un balayage d’une couche de poudre par un faisceau laser selon un mode de réalisation possible de l’invention d’une puissance du faisceau laser envoyée vers la couche de poudre, d’une température de la poudre avant consolidation, d’une température de la poudre au point centre du spot laser, d’un objectif de température de la poudre au point centre du spot laser et d’une température maximale atteinte par la poudre ;
- la figure 7 représente de manière schématique un champ de puissance du faisceau laser envoyé vers la poudre, lorsque la couche de poudre est balayée par un faisceau laser selon un mode de réalisation possible de l’invention ;
- les figures 8a et 8b représentent de manière schématique un détail d’une trajectoire à la surface d’une couche de poudre balayée par un faisceau laser selon deux techniques connues de l’art antérieur ; - la figure 9 représente de manière schématique une trajectoire à la surface d’une couche de poudre balayée par un faisceau laser ;
- la figure 10 représente de manière schématique des évolutions au cours d’un balayage d’une couche de poudre par un faisceau laser selon un mode de réalisation possible de l’invention d’une puissance du faisceau laser émis vers la couche de poudre, d’une température de la poudre avant consolidation, d’une température de la poudre au point centre du spot laser, d’un objectif de température de la poudre au point centre du spot laser et d’une température maximale atteinte par la poudre ; - la figure 11 représente de manière schématique un champ de puissance du faisceau laser envoyé vers la poudre, lorsque la couche de poudre est balayée par un faisceau laser selon un mode de réalisation possible de l’invention ;
- la figure 12 représente de manière schématique un champ de température maximale atteinte par la poudre, lorsque la couche de poudre est balayée par un faisceau laser selon un mode de réalisation possible de l’invention ;
- la figure 13 représente de manière schématique un procédé pour déterminer un voisinage spatial et un voisinage temporel d’un point de la couche de poudre ;
- la figure 14 représente de manière schématique un voisinage spatial et un voisinage temporel d’un point de la couche de poudre ; DESCRIPTION D’UN OU PLUSIEURS MODES DE MISE EN ŒUVRE ET DE REALISATION
Appareil de fabrication additive sélective
L'appareil 121 de fabrication additive sélective de la figure 1 comprend :
- un support tel qu’un plateau horizontal 123 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 122 en forme de sapin sur la figure 1),
- un réservoir de poudre 127 situé au-dessus du plateau 123,
- un arrangement 124 pour la distribution de ladite poudre métallique sur le plateau, cet arrangement 124 comportant par exemple une raclette 125 et/ou un rouleau de mise en couche pour étaler les différentes couches successives de poudre (déplacement selon la double flèche A),
- un ensemble 128 comportant au moins une source 1212 de type laser pour la fusion (totale ou partielle) des couches fines étalées, le faisceau laser généré par la source 1212 rentre en contact avec les couches fines étalées dans le plan de poudres, c’est-à-dire dans le plan où la couche de poudre a été étalée par la raclette 125.
- une unité de contrôle 129 qui assure le pilotage des différents composants de l’appareil 121 en fonction d’informations pré-mémorisées (mémoire M), - un mécanisme 1210 pour permettre de descendre le support du plateau 123 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, au moins un miroir galvanométrique 1214 permet d'orienter et de déplacer le faisceau laser issu de la source 1212 par rapport à l'objet 122 en fonction des informations envoyées par l'unité de contrôle 129. Tout autre système de déviation peut bien entendu être envisagé.
Les composants de l'appareil 121 sont agencés à l'intérieur d'une enceinte étanche 1217 qui peut être reliée à un circuit de traitement d’air ou de gaz inerte. Le circuit de traitement d’air ou de gaz inerte peut être en outre adapté pour régler la pression au sein de l’enceinte étanche 1217 en dessous ou au-dessus de la pression atmosphérique.
Trajectoires dans la couche de poudre balayées par le laser à puissance constante La figure 2 représente de manière schématique une trajectoire située à la surface d’une couche de poudre et balayée par un faisceau laser.
Selon une technique connue de l’art antérieur la couche de poudre est balayée par un faisceau laser selon des zigzags ou des aller-retours de façon à consolider progressivement la couche de poudre.
Le laser est émis vers un premier point A1 de la couche de poudre et balaye à puissance constante et vitesse constante la couche de poudre selon une première portion de droite orientée dans la direction d’un axe X jusqu’à un point B1. La première portion de droite correspond à une valeur de la coordonnée Y proche de 0 et est balayé dans le sens positif de l’axe X.
La longueur de la portion de droite A1 B1 est dans cet exemple égale à un millimètre.
Le balayage par un faisceau laser de la première portion de droite permet d’apporter localement à la couche de poudre suffisamment d’énergie pour fondre la poudre et consolider une zone de la couche qui comprend la première portion de droite.
L’émission du laser vers la couche de poudre est ensuite interrompue.
L’émission du laser est réactivée de sorte que le laser balaye à puissance constante et vitesse constante une seconde portion de droite depuis un point B2 vers un point A2. Cette portion de droite est parallèle à la première portion de droite. La seconde portion de droite correspond à une valeur de la coordonnée Y supérieure à celle de la portion de droite précédente, et est balayée dans le sens négatif de l’axe X.
La longueur de la seconde portion de droite est la même que celle de la première portion.
A nouveau, l’émission du laser est interrompue, puis réactivée pour balayer à puissance constante et vitesse constante dans le sens positif de l’axe X une troisième portion de droite depuis un point A3 vers un point B3. Cette portion de droite est parallèle aux deux portions de droite précédentes, correspondant à une valeur de la coordonnée Y supérieure à celle des deux portions de droite précédentes.
Ainsi de suite, il est possible de balayer une neuvième portion de droite définie par des points A9 et B9 sur la figure 2, à vitesse et puissance constantes dans le sens positif de l’axe X.
La longueur de toutes les portions de droite vaut un millimètre. Effets thermiques du balayage laser à puissance constante La figure 3 représente de manière schématique un champ de température maximale atteinte par la poudre, au fur et à mesure de son balayage par un faisceau laser selon la trajectoire décrite dans la figure 2. La température au cours du procédé de fabrication peut être déterminée par simulation numérique en tout point de la couche de poudre.
Pour chaque point étudié, il est possible de générer une suite temporelle des températures prises par la poudre en ce point au cours du procédé.
Il est possible d’extraire de cette suite temporelle le maximum de ses valeurs, maximum qui correspond à la température maximale atteinte par la poudre au point étudié au cours du procédé. Les températures maximales les plus importantes sont atteintes en des points de la couche de poudre qui se situent vers une des extrémités des portions de droite telles qu’on les a définies plus haut en rapport avec la figure 2.
Plus précisément, parmi les deux extrémités de la portion de droite, il s’agit de l’extrémité qui est balayée en premier par le laser.
La zone Z1 représentée sur les figures 2 et 3 correspond à de tels points de la couche de poudre. Ils sont situés vers l’extrémité de la troisième portion de droite qui est balayée en premier par le laser. Les températures maximales les plus importantes correspondent environ à une température de 3500 Kelvins. Cette température peut dépasser la température de vaporisation de la poudre de fabrication additive. C’est le cas notamment lorsque la poudre de fabrication additive est composée de Ti6Al4V dont la température de vaporisation est de 3 473K.
La vaporisation de la poudre peut produire des lacunes dans l’objet fabriqué et des projections sur des zones déjà solidifiées, ce qui peut détériorer la qualité, l’état de surface et les caractéristiques mécaniques de l’objet fabriqué.
Par ailleurs, les températures maximales les plus importantes sont atteintes en des points de la couche de poudre qui sont situés relativement près des points où les températures maximales sont les moins importantes, environ 1 800K. La zone Z2 représentée sur les figures 2 et 3 correspond à des points de la couche de poudre où les températures maximales sont les moins importantes. La zone Z2 est située à proximité de la zone Z1.
De relativement forts gradients de température se situent entre la zone Z1 et la zone Z2 de la couche de poudre. Plus généralement le début du balayage d’une nouvelle portion de droite est associé à de relativement forts gradients de température.
Ces gradients conduisent ultérieurement à l’apparition de contraintes résiduelles qui ont un effet sur les caractéristiques mécaniques de la pièce et provoquent des déformations, ainsi que des fissures de l’ordre du micromètre voire au-delà.
La figure 4 représente de manière schématique les évolutions de différentes grandeurs au fur et à mesure du balayage d’une couche de poudre par un faisceau laser selon la trajectoire représentée sur la figure 2 et telle qu’on l’a décrite plus haut, les différentes grandeurs étant :
- une puissance du faisceau laser émis vers la couche de poudre 30, - une température de la poudre avant consolidation 31,
- une température de la poudre au point centre du spot laser 32, et - une température maximale de la poudre 33, en l’occurrence la température maximale au cours du procédé de fabrication atteinte par la poudre en un point balayé par le centre du spot laser. La courbe de la puissance 30 du faisceau laser représentée en fonction du temps fait apparaître les temps de balayage de chaque portion de droite comme elles ont été décrites plus haut dans la description de la figure 2.
La vitesse de balayage de la couche de poudre par le faisceau laser vaut un mètre par seconde.
La longueur de chaque portion de droite valant un millimètre, le faisceau laser balaye chaque portion de droite en une milliseconde.
Entre deux portions de droite, l’émission du faisceau laser est suspendue et la puissance tombe à zéro.
La courbe de la puissance 30 du faisceau laser au cours du temps correspond à une suite de créneaux de largeur une milliseconde et de hauteur constante. Chaque portion de droite est balayée par le laser à une puissance constante de 300 W.
Chaque portion de droite correspond à un créneau, et chaque instant u repéré sur l’axe horizontal du Temps correspond à un point M de la couche de poudre situé sur la trajectoire vers lequel le laser est émis à l’instant u. Le centre du spot laser balaye le point M à l’instant u.
On entend par spot laser, la tâche laser correspondant à une section transverse du faisceau laser située à l’intersection entre le faisceau laser et la couche de poudre.
Le spot laser peut avoir une forme circulaire.
La température de la poudre avant consolidation 31 est une estimation de la température Tp de la couche de poudre au point M, juste avant l’instant u. Cette estimation caractérise la diffusion au point M de l’énergie apportée avant l’instant u par le faisceau laser à la couche de poudre.
La courbe 31 est obtenue par simulation numérique. La température de la poudre au point centre du spot laser 32 est la température de la poudre en un point balayé par le centre du spot laser à l’instant du passage du laser. Elle correspond à l’estimation de la température de la poudre au point M juste après l’instant u.
La courbe 32 est obtenue par simulation numérique. La température maximale atteinte par la poudre 33 est une estimation de la température maximale qui est atteinte par la poudre en un point M au cours du procédé de fabrication. Cette estimation prend en compte l’énergie apportée par le laser vers le point M à l’instant u ainsi que la diffusion au point M de l’énergie apportée avant l’instant u par le laser à la couche de poudre. La courbe 33 présente des pics peu après le début de chaque créneau de la courbe 30. Les températures correspondantes à ces pics dépassent 3500K et possiblement la température de vaporisation de la poudre de fabrication additive.
Les courbes 31, 32 et 33 présentent certaines variations similaires. En particulier, les courbes 31, 32 et 33 présentent une brusque chute de signal autour de chaque fin de créneau de la courbe 30, cette chute de signal est suivie d’une augmentation brusque puis d’une diminution plus lente au cours du créneau suivant de la courbe 30 avant de présenter une nouvelle chute brusque de signal autour de la fin de ce créneau suivant.
Le balayage d’une portion de droite de la couche de poudre correspond à une température maximale atteinte faible en début de balayage, puis brusquement beaucoup plus importante avant de diminuer de plus en plus jusqu’à la fin du balayage de la portion de droite. La température avant consolidation Tp et la température atteinte par la poudre au point centre du spot laser suivent la même évolution.
La figure 5 représente de manière schématique une cartographie de température atteinte par la poudre au point centre du spot laser, lorsque la couche de poudre est balayée par un faisceau laser selon la trajectoire de la figure 2 et telle qu’on l’a décrite plus haut.
La figure 5 et la courbe 32 de la figure 4 proposent deux représentations de la même grandeur « température atteinte par la poudre au point centre du spot laser ». Pour la figure 5 cette représentation est spatiale, alors que pour la courbe 32 de la figure 4 cette représentation est temporelle. La température au point centre du spot laser est faible en début de balayage d’une portion de droite, puis brusquement beaucoup plus importante. Les zones Z3a, Z3b et Z3c identifiées sur la figure 5 correspondent à cette variation. Une fois cette brusque augmentation passée, la température au point centre du spot laser diminue plus doucement jusqu’à la fin du balayage de la portion de droite.
Ces variations de température au point centre du spot laser proviennent de différents effets.
D’une part lorsque le laser balaye une portion de droite, une partie de l’énergie apportée par le laser diffuse vers la portion de droite suivante dans l’ordre de balayage du laser.
La portion de droite suivante est chauffée, et en particulier dans la zone en regard des points qui viennent d’être balayés par le laser. Au cours du temps, l’énergie se diffuse davantage dans la poudre, de sorte que l’énergie provenant de la portion de droite balayée qui a diffusé aux points dans la zone en regard de la portion de droite suivante passe par un maximum avant de diminuer. D’autre part, l’émission du faisceau laser vers la couche de poudre est interrompue en fin de balayage de la portion de droite, puis réactivée en début de portion de droite suivante. Cette discontinuité provoque une diminution dans l’apport d’énergie depuis une portion de droite vers la portion de droite suivante.
Pour ces raisons, la température de la poudre avant consolidation 31 est inférieure en tout début de portion de droite par rapport au reste de la portion de droite. Cette différence de température avant consolidation est visible sur la courbe 31 de la figure 4, et correspond à la chute du signal dans cette courbe située autour de chaque fin de créneau de la courbe 30.
La température au point centre du spot laser dépend notamment de la température avant consolidation au point balayé, c’est-à-dire de l’énergie provenant de la portion de droite précédente qui est présente en ce point au moment de son balayage par le laser. Les sixième et septième portions P6 et P7 sont indiquées sur la figure 5. Elles sont balayées dans le sens des flèches F6 et F7. Différentes zones ont été identifiées dans ces portions, elles sont balayées par le laser dans l’ordre suivant : Z7a, Z6a, Z5a, Z4a, Z4b, Z5b, Z6b et Z7b.
Il y a relativement moins d’énergie diffusée depuis les zones précédemment balayées en tout début de portion de droite, par exemple dans la zone Z4b à cause de l’interruption de l’émission laser entre les zones Z4a et Z4b.
Il y a relativement plus d’énergie diffusée depuis les zones précédemment balayées dans la suite immédiate du tout début de portion de droite, par exemple dans la zone Z5b, car la partie de la portion de droite précédente située en regard, la zone Z5a, a été récemment balayée par le laser.
Il y a relativement de moins en moins d’énergie diffusée depuis les zones précédemment balayées dans le reste de la portion de droite, car la partie de la portion de droite précédente située en regard a été balayée par le laser il y a de plus en plus longtemps.
L’énergie reçue dans la zone Z6a qui a diffusé dans la zone Z6b au moment du balayage de la zone Z6b, est :
- plus faible que l’énergie reçue dans la zone Z5a qui a diffusé dans la zone Z5b au moment du balayage de la zone Z5b, et
- plus importante que l’énergie reçue dans la zone Z7a qui a diffusé dans la zone Z7b au moment du balayage de la zone Z7b. Le champ de température illustrée sur la figure 5 correspond au champ de température au point centre du spot laser. Ce champ est inhomogène avec de forts gradients de température, notamment dans les extrémités des portions de droite qui sont balayées en premier. Trajectoires dans la couche de poudre balayées par le laser à puissance modulée Une méthode est proposée afin de mieux contrôler le champ de température atteinte par la poudre au centre du spot laser et en conséquence le champ de température maximale atteinte, en modulant la puissance du laser au cours du balayage de la poudre.
Une trajectoire dans la couche de poudre à balayer à vitesse constante par le laser est choisie. Cette trajectoire peut être virtuellement découpée en segments Sn par exemple de longueur identique correspondant alors à des durées de balayage laser identiques. Chaque segment Sn peut être caractérisé notamment par un n-ème point de la couche de poudre compris dans le segment Sn et un instant tn à partir duquel le segment est balayé par le laser. Un calcul de la puissance du faisceau laser avec laquelle chaque segment est balayé est réalisé dans l’ordre de balayage des différents segments.
Pour le n-ème segment Sn, ce calcul comprend les étapes suivantes :
- calcul d’une estimation de la température de la poudre avant consolidation Tp(tn), au n-ème point de la couche de poudre compris dans le segment Sn et à l’instant tn, l’estimation dépendant des variations en température de la poudre dues, au n-ème point de la couche de poudre et à l’instant tn, à l’émission d’un faisceau laser de sorte à balayer les n-1 segments situés en amont dans la trajectoire, chacun des n-1 segments étant balayé avec une puissance précédemment calculée,
- calcul d’un objectif de variation de température à accomplir égal à la différence de température entre une température seuil Ts et la température de la poudre avant consolidation Tp(tn), la température seuil Ts est une température de la couche à atteindre sans être dépassée au point centre du spot laser, et
- calcul d’une puissance du faisceau laser émis de sorte à balayer le n- ème segment Sn en fonction de l’objectif de variation de température. La modulation de la puissance du laser est calculée pour l’ensemble des segments dans leur ordre de balayage. Effets thermiques du balayage laser à puissance modulée La figure 6 correspond à l’application d’une telle méthode dans le cas du balayage d’une couche de poudre par un faisceau laser selon la trajectoire représentée sur la figure 2.
La figure 6 représente de manière schématique les évolutions de différentes grandeurs au fur et à mesure du balayage, les différentes grandeurs étant :
- une puissance du faisceau laser émis vers la couche de poudre 40, - une température de la poudre avant consolidation 41,
- une température de la poudre au point centre du spot laser 42,
- une température maximale de la poudre 43, en l’occurrence la température maximale au cours du procédé de fabrication atteinte par la poudre en un point balayé par le centre du spot laser, et
- un objectif de température de la poudre 44 au point centre du spot laser. Les courbes 41,42 et 43 sont obtenues par simulation numérique.
Les grandeurs représentées dans les courbes 41, 42 et 43 sont définies respectivement de la même manière que les grandeurs représentées dans les courbes 31, 32 et 33, mais dans le cas où on applique la méthode pour mieux contrôler le champ de température. La vitesse de balayage de la couche de poudre par le faisceau laser vaut un mètre par seconde.
La longueur de chaque portion de droite valant un millimètre, le faisceau laser balaye chaque portion de droite en une milliseconde.
Entre deux portions de droite, l’émission du faisceau laser est suspendue et la puissance tombe à zéro.
La courbe de la puissance 40 du faisceau laser au cours du temps présente des chutes de signal à zéro pour une milliseconde, deux millisecondes, et ainsi de suite toutes les millisecondes. Le balayage de chaque portion de droite correspond à un intervalle de temps entre deux chutes du signal à zéro. La courbe de la puissance 40 du faisceau laser au cours de la première milliseconde est constante, la puissance étant maintenue constante au cours du balayage de la première portion de droite.
Pour le balayage des portions de droite suivante, la puissance du faisceau laser est maximale en tout début de portion de droite, puis diminue brusquement puis augmente plus doucement au cours du balayage. Ces variations de la puissance du faisceau laser au cours du balayage sont opposées aux variations de la température maximale telles qu’on les a décrites dans le cas de la courbe 33 de température maximale de la figure 4. La courbe de la température de la poudre avant consolidation 41 de la figure 6 présente certaines variations similaires à la courbe de température de la poudre avant consolidation 31 de la figure 4.
En particulier, la courbe 41 présente une brusque chute de signal autour de chaque fin de balayage d’une portion de droite, cette chute de signal est suivie d’une augmentation brusque puis d’une diminution plus lente au cours du balayage de la portion de droite suivante.
L’amplitude des variations de la courbe 41 est cependant inférieure à l’amplitude des variations de la courbe 31 : à partir de la deuxième portion de droite balayée par le faisceau laser, la courbe 41 évolue entre les valeurs de températures 1200K et 2200K soit un intervalle de 1000K, alors que la courbe 31 évolue entre les valeurs de températures 1400K et 2700K soit un intervalle de 1300K.
L’effet du balayage de segments par le laser sur la température d’un segment situé en aval dans la trajectoire est diminué par rapport à la situation des figures 4 et 5.
La courbe 44 représente un objectif de température de la poudre au point centre du spot laser. Plus précisément il s’agit d’une température de la poudre à atteindre sans être dépassée en un point de la couche de poudre balayé par le centre du spot laser à l’instant du passage du laser. La courbe 44 est constante : la température de la couche à atteindre sans être dépassée au point centre du spot laser est la même au cours du balayage du laser et du procédé de fabrication. Cette température peut être nommée température seuil Ts. La courbe 42 est, au tout début du balayage de chaque portion de droite, inférieure à la courbe 44, puis au cours du reste du balayage de la portion de droite, les deux courbes 42 et 44 coïncident. L’objectif de température de la poudre au point centre du spot laser est atteint rapidement après le début du balayage de chaque portion de droite par le faisceau laser. L’amplitude des variations de la courbe 42 est inférieure à l’amplitude des variations de la courbe 32 : à partir de la deuxième portion de droite balayée par le faisceau laser, la courbe 42 évolue entre les valeurs de températures 1800K et 2300K soit un intervalle de 500K, alors que la courbe 32 évolue entre les valeurs de températures 1600K et 3100K soit un intervalle de 1500K.
La méthode permet de réduire drastiquement les variations la température de la poudre au point centre du spot laser par rapport à la situation de la figure 4. La courbe 43 présente des pics peu après le début de balayage de chaque portion de droite par le faisceau laser. Les températures correspondantes à ces pics ne dépassent pas 3000K et se situent nettement en dessous de la température de vaporisation du matériau Ti6Al4V. La température atteinte par la poudre lors de l’application de la nouvelle méthode peut être ainsi plus faible que la température de vaporisation de la poudre. Cela permet de diminuer l’énergie consommée lors du procédé de fabrication additive et d’éviter les vaporisations et les lacunes de matière dans l’objet fabriqué. L’amplitude des variations de la courbe 43 est nettement inférieure à l’amplitude des variations de la courbe 33 : à partir de la deuxième portion de droite balayée par le faisceau laser, la courbe 43 évolue entre les valeurs de températures 2600K et 2900K soit un intervalle de 300K, alors que la courbe 33 évolue entre les valeurs de températures 2900K et 3600K soit un intervalle de 700K.
La méthode permet de réduire les variations de maximale atteinte par la poudre au point centre du spot laser par rapport à la situation de la figure 4. La figure 7 représente de manière schématique un champ de puissance du faisceau laser envoyé vers la poudre, dans le même mode de balayage de la couche de poudre par un faisceau laser que celui de la figure 6.
Comme déjà représenté sur la courbe 40 de la figure 6, la puissance est constante, égale à environ 300 W, au cours de la première portion de droite située au bas de la figure 7.
Pour chaque portion de droite suivante, la puissance du faisceau laser est maximale en début de balayage, puis elle chute brusquement avant de réaugmenter plus doucement au cours du balayage. Trajectoires de balayage avec discontinuités La figure 8a représente de manière schématique un détail d’une trajectoire de balayage d’une couche de poudre par un faisceau laser selon la trajectoire représentée sur la figure 2 et telle qu’on l’a décrite plus haut
La puissance du faisceau laser est modulée au cours du balayage selon la méthode proposée afin de mieux contrôler le champ de température. La trajectoire présente une discontinuité entre la portion de droite 48 et la portion de droite suivante 49.
Le laser balaye la portion de droite 48 et passe notamment par les points 48a, 48b, 48c, 48d et 48e. Ces points correspondent aux extrémités des segments Sn de longueur identique qui découpent virtuellement les portions de droite balayées par le laser et pour lesquels on calcule une puissance du faisceau laser. Le cercle 51a correspond au spot laser qui éclaire la couche de poudre au point 48a. La surface 52a correspond à l’effet thermique du balayage du laser jusqu’au point 48a. La surface 52a est d’autant plus importante que la température atteinte au point 48a est importante. La surface 52a dépend d’une part de la puissance du faisceau laser envoyée au point 48a et d’autre part de l’énergie apportée par le laser à la couche de poudre en amont du point 48a et qui a diffusé jusqu’au point 48a.
Les effets thermiques du balayage du laser augmentent au fur et à mesure du balayage de la portion de droite 48. Les surfaces 52b, 52c, 52d et 52e sont de plus en plus importantes.
La puissance du faisceau laser augmente au fur et à mesure du balayage, comme mentionné dans la description de la figure 7. L’énergie diffusée dans la couche de poudre dans la direction de balayage est de plus en plus importante au fur et à mesure du balayage de la portion de droite 48.
Au point 48e, l’émission du laser est interrompue. Elle est réactivée de sorte que le faisceau laser est émis vers le point 49e. Le faisceau laser balaye ensuite la portion de droite 49 dans la direction opposée à la portion de droite 48, du point 49e au point 49a. Les effets thermiques du balayage du laser augmentent au fur et à mesure du balayage de la portion de droite 49. Les surfaces 53e, 53d, 53c, 53b et 53a sont, dans cet ordre, de plus en plus importantes.
La surface 53e correspondant à l’effet thermique du balayage du laser jusqu’au point 49e est sensiblement plus faible que la surface 52e. La discontinuité du balayage c’est-à-dire l’interruption de l’émission du laser entre les points 48e et 49e, ainsi que le changement de la direction de balayage entre ces points participent à diminuer l’énergie diffusée dans la couche de poudre entre les points 48e et 49e.
Même avec une puissance du faisceau laser émise vers le point 49e bien plus importante que la puissance du faisceau laser émise vers le point 48e, comme mentionné dans la description de la figure 7, l’effet thermique du balayage du laser est plus important au point 48e qu’au point 49e. Le champ de température atteinte par la poudre au centre du spot laser atteinte n’est pas homogène sur la trajectoire balayée dans le cas de la figure 8a et de la figure 6. En particulier, en tout début de balayage de portion de droite par le faisceau laser, la courbe de température de la poudre avant consolidation 41 et la courbe de température de la poudre au point centre du spot laser 42 présentent toutes les deux une chute de signal. Trajectoires de balayage sans discontinuités Une forme de trajectoire est proposée afin de limiter la chute de température de la poudre avant consolidation et la chute de température de la poudre au point centre du spot laser en tout début de balayage de portion de droite. La figure 8b représente de manière schématique un détail d’une forme de trajectoire proposée à cette fin.
La puissance du faisceau laser est modulée au cours du balayage selon la méthode proposée afin de mieux contrôler le champ de température.
La trajectoire présente une continuité entre la portion de droite 48 et la portion de droite suivante 49, avec l’ajout d’une portion de droite 50 qui joint l’extrémité 48e de la portion de droite 48 et l’extrémité 49e de la portion de droite 49e. La portion de droite 50 est balayée par le faisceau laser du point 48e au point 49e en passant notamment par le point 50a auquel est associé la surface 54a qui caractérise l’effet thermique du balayage du laser jusqu’au point 50a.
Par rapport à la trajectoire illustrée dans la figure 8a, la trajectoire de la figure 8b est continue et correspond à des changements moins importants de direction de balayage. La figure 9 représente de manière schématique une trajectoire à la surface d’une couche de poudre balayée par un faisceau laser selon une forme de trajectoire proposée.
La trajectoire est continue et comprend un premier groupe de portions de droites parallèles qui correspond aux portions de droites parallèles de la trajectoire représentée sur la figure 2. La trajectoire de la figure 9 comprend un deuxième groupe de portions de droites, chaque portion de droite du deuxième groupe joignant une première extrémité d’une première portion de droite du premier groupe et une deuxième extrémité d’une deuxième portion de droite du premier groupe, la deuxième portion de droite étant voisine de la première portion de droite.
Chaque passage d’une portion de droite du premier groupe de portions de droites à la suivante dans ce premier groupe, par exemple le passage de la portion de droite 60 à la portion de droite 62 est rendu continu par l’ajout d’une portion de droite du deuxième groupe de portions de droites, par exemple la portion de droite 61. Effets thermiques du balayage laser à puissance modulée dans le cas des trajectoires de balayage sans discontinuités La figure 10 correspond à l’application de la méthode proposée afin de mieux contrôler le champ de température au balayage d’une couche de poudre par un faisceau laser selon la trajectoire illustrée à la figure 9.
La figure 10 représente de manière schématique les évolutions de différentes grandeurs au fur et à mesure du balayage, les différentes grandeurs étant :
- une puissance du faisceau laser émis vers la couche de poudre 70, - une température de la poudre avant consolidation 71,
- une température de la poudre au point centre du spot laser 72,
- une température maximale de la poudre 73, en l’occurrence la température maximale au cours du procédé de fabrication atteinte par la poudre en un point balayé par le centre du spot laser, et
- un objectif de température de la poudre 74 au point centre du spot laser. Les courbes 71, 72 et 73 sont obtenues par simulation numérique.
Les grandeurs représentées dans les courbes 71, 72 et 73 sont définies respectivement de la même manière que les grandeurs représentées dans les courbes 31, 32 et 33, mais dans le cas où on applique la méthode pour mieux contrôler le champ de température sur le cas d’une trajectoire continue. La vitesse de balayage de la couche de poudre par le faisceau laser valant un mètre par seconde, et la longueur de chaque portion de droite du premier groupe de portions de droite valant un millimètre, le faisceau laser balaye chaque portion de droite du premier groupe en une milliseconde.
La courbe de la puissance 70 du faisceau laser au cours de la première milliseconde est constante, la puissance est maintenue constante au cours du balayage de la première portion de droite.
Entre deux portions de droite du premier groupe, la puissance du faisceau laser ne tombe pas à zéro, et un certain temps est nécessaire au laser pour balayer la portion de droite du deuxième groupe.
La courbe de la puissance 70 présente, à partir de la deuxième portion de droite du premier groupe, un motif régulier et une période temporelle qui est supérieure à une milliseconde.
Dans ce motif, la puissance du faisceau laser diminue puis augmente rapidement deux fois à la suite avant d’augmenter plus doucement au cours du balayage. Le contour 75 entoure une zone de la courbe 70 qui présente les deux séquences consécutives de diminution et d’augmentations rapides du signal.
Chacune des deux séquences consécutives correspond à un changement de la direction de balayage du laser.
La première séquence correspond à la transition d’une portion de droite du premier groupe à une portion de droite du deuxième groupe.
La deuxième séquence correspond à la transition de la portion de droite du deuxième groupe à une portion de droite du premier groupe.
A chaque transition de portion de droite, et comme dans le cas de la courbe de la puissance 40 de la figure 6, la puissance du faisceau laser passe par un maximum en tout début de portion de droite, puis diminue brusquement.
La courbe de la température de la poudre avant consolidation 71 présente des variations, qui à partir de la deuxième portion de droite du premier groupe, sont régulières avec la même période temporelle supérieure à une milliseconde que la période temporelle décrite pour la courbe 70.
Ces variations sont d’amplitude nettement inférieures aux variations de la courbe 41 de la figure 6. En particulier, la chute de signal de la courbe 41 suivie d’une brusque augmentation correspondant à un début de portion de droite du premier groupe n’apparaît pas dans la courbe 71. A partir de la deuxième portion de droite balayée par le laser, la courbe 71 évolue entre les valeurs de température 2000K et 2300K soit un intervalle de 300K, alors que la courbe 41 évolue entre les valeurs de température 1200K et 2200K soit un intervalle de 1000K.
La température de la poudre avant consolidation en tout début de portion de droite du premier groupe a été augmentée dans la figure 10 par rapport à la situation de la figure 6. Comme la courbe 44 de la figure 6, la courbe 74 est constante : la température de la couche à atteindre sans être dépassée au point centre du spot laser est la même au cours du balayage du laser et du procédé de fabrication. Cette température peut être nommée température seuil Ts. La courbe 72 est, au tout début du balayage de la trajectoire, inférieure à la courbe 44, puis au cours du reste du balayage de la trajectoire les deux courbes 42 et 44 coïncident. L’objectif de température de la poudre au point centre du spot laser est atteint rapidement après le début du balayage de la première portion de droite par le faisceau laser. L’amplitude des variations de la courbe 72 est nettement inférieure à l’amplitude des variations de la courbe 42 : à partir de la deuxième portion de droite balayée par le faisceau laser, la courbe 72 apparaît constante, alors que la courbe 42 évolue entre les valeurs de températures 1600K et 2300K soit un intervalle de 700K.
La trajectoire continue proposée permet de réduire drastiquement les variations la température de la poudre au point centre du spot laser par rapport à la situation de la figure 6. La courbe 73 présente, à partir de la deuxième portion de droite du premier groupe, un motif régulier avec la même période temporelle supérieure à une milliseconde que la période temporelle décrite pour les courbes 70 et 71. Les températures maximales atteintes au cours de ces motifs ne dépassent pas 3000K et se situent nettement en dessous de la température de vaporisation du matériau Ti6Al4V. La température atteinte par la poudre lors de l’application de la nouvelle méthode et selon la trajectoire continue proposée peut être ainsi plus faible que la température de vaporisation de la poudre. Cela permet de diminuer l’énergie consommée lors du procédé de fabrication additive et d’éviter les vaporisations et les lacunes de matière dans l’objet fabriqué. La figure 11 représente de manière schématique un champ de puissance du faisceau laser envoyée vers la poudre, dans le même mode de balayage de la couche de poudre par un faisceau laser que celui de la figure 10.
Comme déjà représenté sur la courbe de la puissance 70 de la figure 10, la puissance du faisceau laser est constante, égale à environ 300 W, au cours de la première portion de droite située au bas de la figure 11.
Pour chaque portion de droite suivante, du premier groupe comme du deuxième groupe, la puissance du faisceau laser est maximale en tout début de balayage, puis chute brusquement avant de réaugmenter plus doucement au cours du balayage de la portion de droite. La continuité de la trajectoire fait coïncider la toute fin de balayage d’une portion de droite et le tout début du balayage de la portion de droite suivante.
La figure 12 représente de manière schématique un champ de température maximale atteinte par la poudre, lorsque la couche de poudre est balayée par le faisceau laser, dans le même mode de balayage de la couche de poudre par un faisceau laser que celui de la figure 10.
Le champ de température maximale présente dans la figure 12 une plus grande homogénéité que dans la figure 3. La température maximale est comprise entre 1700K et 2800K dans la figure 12, alors qu’elle est comprise entre 1800K et 3500K dans la figure 3.
Les gradients de température dans le cas de la figure 12 sont plus faibles que dans le cas de la figure 3.
Estimation de la température de la poudre avant consolidation Tp– cas de deux points La température de la poudre avant consolidation représentée sur les courbes 31 de la figure 4, 41 de la figure 6, 71 de la figure 10 dans différentes situations de stratégie de consolidation de poudre, est une estimation de la température Tp de la couche de poudre en un point de la couche de poudre juste avant que le laser ne balaie ce point.
Cette estimation prend en compte la diffusion audit point de l’énergie apportée auparavant par le laser à la couche de poudre. Par exemple, dans le cas d’une émission d’un faisceau laser sur un premier point de la couche de poudre de fabrication additive, de sorte à consolider une première zone de la couche de poudre comprenant un premier point, une variation de température de la couche de poudre en un deuxième point distinct du premier point de la couche de poudre causée par l’émission du faisceau laser de sorte à consolider la première zone de la couche de poudre, peut être estimée en fonction de la distance entre le premier point et le deuxième point et d’un intervalle de temps prédéterminé.
Plus précisément, cette variation de température estimée DT peut être déterminée de la manière suivante en fonction de la distance r21 entre le premier point et le deuxième point et d’un intervalle de temps prédéterminé (t2-t1) :
dans laquelle : Q1 est l’énergie reçue par la couche au cours de l’émission du faisceau laser de sorte à balayer le premier segment, ɛ est une effusivité thermique de la couche de poudre, R est un rayon du faisceau laser, a est une diffusivité thermique de la couche de poudre et t0 est un instant prédéterminé. t0 est un paramètre du modèle, définissant la borne inférieure de validité temporelle. Sa valeur peut être déterminée en fonction du pas temporel∆t, par exemple tel que t0=10c∆t, avec∆t = 10 micro secondes.
L’énergie Q1 peut être définie comme le produit de la puissance du faisceau laser émis sur le premier point par le temps d’émission du faisceau laser sur ce premier point. Si le faisceau laser est balayé le long d’une trajectoire, il est possible de définir un pas de temps∆t et de diviser la trajectoire en tronçons, chaque tronçon étant balayé par le faisceau laser pendant une durée égale au pas de temps∆t. Si ces tronçons sont suffisamment petits, il est possible de considérer que l’énergie envoyée vers le tronçon est envoyée en un seul point du tronçon.
On se place dans le cas où le spot laser à une forme circulaire définie par un rayon R.
La formule utilisée ici provient d’un modèle qui s’applique à la diffusion de la chaleur dans des solides, modèle qui peut également être appliqué aux poudres de fabrication additive solides incluant les poudres céramiques métalliques.
La formule
peut être interprétée comme la variation à l’instant t2 de température de la couche de poudre au deuxième point causée par l’émission à l’instant t1 du faisceau laser de sorte à consolider la première zone de la couche de poudre. Cette formule peut être utilisée pour établir la température de la poudre au deuxième point en n’importe quel instant ultérieur à l’instant t1. En particulier, cette formule peut être utilisée pour établir la température de la poudre avant consolidation Tp(t2) au deuxième point, c’est-à-dire la température de la poudre au deuxième point juste avant que le laser n’éclaire ce deuxième point.
La température de la poudre avant consolidation Tp(t2) au deuxième point situé à la distance r21 du premier point de la couche de poudre à l’instant t2 peut être estimée à partir de la relation
dans laquelle T0 est la température initiale de la poudre.
L’émission d’un faisceau laser sur le premier point de la couche de poudre de fabrication additive a lieu à l’instant t1.
Cette estimation permet de mettre en œuvre un procédé de fabrication additive sélective d’un objet tridimensionnel à partir d’une couche de poudre, le procédé comprenant les étapes de :
- application d’une couche de poudre de fabrication additive sur un support ou sur une couche préalablement consolidée,
- émission d’un faisceau laser sur un premier point de la couche de poudre de fabrication additive, de sorte à consolider une première zone de la couche de poudre comprenant le premier point,
le procédé étant caractérisé en ce qu’il comprend en outre
- un ajustement d’une puissance du faisceau laser en fonction d’une variation de température estimée de la couche de poudre en un deuxième point distinct du premier point de la couche de poudre causée par l’émission du faisceau laser de sorte à consolider la première zone de la couche de poudre, la variation de température estimée étant fonction de la distance entre le premier point et le deuxième point et d’un intervalle de temps prédéterminé,
- une émission d’un faisceau laser sur le deuxième point avec la puissance ajustée de sorte à consolider une deuxième zone de la couche de poudre comprenant le deuxième point, l’émission du faisceau laser sur le premier point et l’émission du faisceau laser sur le deuxième point étant temporellement séparées de l’intervalle de temps prédéterminé. Ladite puissance ajustée, notée P2 peut être calculée en fonction de l’estimation de la température avant consolidation Tp(t2) de la manière suivante : dans laquelle Dt est un pas temporel, Ts est une température seuil prédéterminée et t0 est un instant prédéterminé. Dans cette situation particulière, on peut choisir
Estimation de la température de la poudre avant consolidation Tp– cas de n points Plus généralement, la température avant consolidation peut être estimée dans la situation d’une trajectoire dans la couche de poudre comprenant plusieurs points éclairés pas le laser.
La température de la poudre avant consolidation Tp(tn) à un instant tn en un n- ème point, n étant un nombre entier supérieur ou égal à deux, peut être estimée connaissant l’énergie apportée par le faisceau laser à la couche de poudre avant l’instant tn.
Chaque i-ème point, avec est éclairé par le faisceau laser à l’instant ti et se situe au sein d’une i-ème zone de la couche de poudre consolidée grâce à l’énergie Qi apportée par le faisceau laser autour de l’instant ti.
La distance entre le i-ème point et le n-ème point est notée rni.
L’apport de l’énergie Qi vers la couche de poudre, produit une variation de température estimée à l’instant tn au n-ème point de la couche. Cette variation est calculée de la manière suivante :
La somme de ces variations permet une estimation d’une température de la poudre avant consolidation Tp(tn) de la manière suivante : dans laquelle T0 est la température initiale de la poudre. Cette estimation permet de mettre en œuvre un procédé de fabrication additive sélective d’un objet tridimensionnel à partir d’une couche de poudre, le procédé comprenant les étapes de :
- ajustement d’une puissance du faisceau laser en fonction d’une estimation d’une température de la poudre avant consolidation Tp(tn) à un instant tn en un n-ème point de la couche, n étant un nombre entier supérieur ou égal à deux, l’estimation dépendant des variations en température de la poudre dues à l’émission d’un faisceau laser de sorte à consolider n-1 zones de la couche de poudre,
le n-ème point étant situé à la distance rni d’un i-ème point de la couche de poudre, avec
chaque i-ème point étant situé au sein d’une i-ème zone de la couche de poudre consolidée et étant éclairé par le faisceau laser à l’instant ti, de la manière suivante : dans laquelle T0 est la température initiale de la poudre,
- émission à l’instant tn d’un faisceau laser vers le n-ème point de sorte à consolider une n-ème zone de la couche de poudre comprenant le n-ème point, avec la puissance ajustée. Ladite puissance ajustée, notée Pn peut être calculée en fonction de l’estimation de la température avant consolidation Tp(tn) de la manière suivante : dans laquelle Dt est un pas temporel, Ts est une température seuil prédéterminée et t0 est un instant prédéterminé. Vitesse de balayage et Pas de temps La trajectoire dans la couche de poudre, comprenant plusieurs points éclairés par le laser, peut être balayée à vitesse de balayage du faisceau laser constante ou variable.
Les trajectoires balayées par le laser correspondant aux figures 2 à 12 telles qu’on les a présentées précédemment ont été décrites à plusieurs reprises comme des trajectoires balayées par le laser à vitesse de balayage du faisceau laser constante. Cependant, l’ajustement de la puissance du faisceau laser en fonction des estimations de variation de température peut tout à fait être mis en œuvre en utilisant des trajectoires balayées par faisceau laser de vitesse de balayage variable.
En particulier, si en modulant la puissance l’homogénéité de la température reste insatisfaisante, la vitesse de balayage peut être modulée pour améliorer l’homogénéité de la température.
De la même manière, les trajectoires balayées par le laser correspondant aux figures 2 à 12 telles qu’on les a présentées précédemment ont été décrites à plusieurs reprises comme des trajectoires balayées avec un pas temporel constant pour l’ensemble de la trajectoire.
Cependant, l’ajustement de la vitesse de balayage du faisceau laser en fonction des estimations de variation de température peut tout à fait être mis en œuvre en utilisant un pas temporel variable.
Le pas temporel Dt peut être choisi variable au cours de la trajectoire. En particulier le pas temporel peut être choisi plus faible dans les situations où les puissances ajustées successives diffèrent d’un écart relativement important, et plus important dans les situations où les puissances ajustées successives diffèrent d’un écart relativement faible.
La trajectoire peut être virtuellement découpée en segments Sn de longueur identique ou différente correspondant donc à des durées de balayage laser identiques ou différentes. Chaque segment Sn est balayé par le laser spatialement à partir d’une première extrémité correspondant au n-ème point et temporellement à partir de l’instant tn. Objectif de température La température seuil Ts telle qu’elle apparaît dans la formule correspond exactement à la température de la poudre atteinte au n-ème point où passe le centre du spot laser au moment tn. La température seuil Ts peut donc être choisie en fonction d’une température de la poudre souhaitée en un point où passe le centre du spot laser et au moment du passage du laser. Cependant, la température seuil Ts peut être choisie en fonction d’autres critères. Les formules de variation de température telles qu’on les a décrites plus haut permettent de déterminer l’effet d’un ou plusieurs apports d’énergie à la couche de poudre en n’importe quel point et à n’importe quel instant suivant lesdits apports. L’évolution des températures pouvant être prédite, la température seuil Ts peut notamment être choisie en fonction d’objectifs de température parmi les conditions suivantes :
- une température de la poudre maximale atteinte au cours du temps en un point où passe le centre du spot laser,
- une température de la poudre maximale atteinte au cours du temps en un point de la couche de poudre,
- une température supérieure à ne pas dépasser au cours du temps en tout point de la couche de poudre,
- une température inférieure sous laquelle ne pas passer en tout point de la poudre, ou
- une combinaison de ces conditions éventuellement variable au cours du procédé de fabrication. La détermination des puissances ajustées nécessite la détermination des estimations de variations de température de la couche de poudre aux différents points compris dans la trajectoire.
La détermination des estimations de variations de température peut être réalisée avant le début du procédé, ou bien une fois que le procédé de fabrication a débuté. Dans le cas où l’estimation de la variation de température de la couche de poudre au n-ème point causée par l’émission du faisceau laser de sorte à consolider une zone de la couche de poudre est réalisée une fois que le procédé de fabrication a commencé, il est nécessaire de disposer d’un calculateur ou un simulateur qui traite les différents points de la trajectoire suffisamment rapidement.
En particulier la vitesse à laquelle les différents points sont traités par le simulateur doit être supérieure ou au moins égale à la vitesse le faisceau laser éclaire ou balaye ces mêmes points.
Cela permet de prendre en compte tout aléa survenant pendant la production sans devoir réinitialiser la production et la simulation de température. Voisinage temporel– voisinage spatial
La détermination des puissances ajustées prend d’autant plus de temps que l’estimation est précise c’est-à-dire que le nombre de points pris en compte est important.
Afin de limiter le temps de calcul sans détériorer la qualité de l’estimation, il est possible de définir un voisinage spatial Vl et un voisinage temporel Vt qui limite le nombre de points déjà éclairés à prendre en compte dans les calculs. Le voisinage temporel Vt représente la durée des effets thermiques du balayage d’un segment de trajectoire. Au-delà de cette durée, l’effet sur la température de la poudre de l’énergie diffusée dans l’environnement du segment balayé et apportée lors de son balayage peut être considéré comme négligeable. Le voisinage spatial Vl représente la distance maximale des effets thermiques du balayage d’un segment de trajectoire. Au-delà de cette distance, l’effet sur la température de la poudre de l’énergie diffusée dans l’environnement du segment balayé et apportée lors de son balayage peut être considérée comme négligeable. Le caractère négligeable nécessite de définir une différence seuil de température Ds. Les effets thermiques du balayage correspondant à des variations de température en deçà de cette différence, sont considérés comme négligeables.
Le voisinage temporel Vt et le voisinage spatial Vl peuvent être déterminés à partir de la méthode suivante, illustrée sur la figure 13 :
Dans une première étape, les informations suivantes sont mises en mémoire dans le simulateur :
- les paramètres du procédé de balayage laser (puissance du faisceau laser et rayon du faisceau laser, vitesse de balayage du laser),
- les paramètres du matériau (conductivité thermique, capacité thermique, densité, température de fusion et température initiale de la poudre T0), - les coordonnées d’une trajectoire de type portion de droite. Dans une deuxième étape, le simulateur délivre une estimation de la température de la poudre dans un domaine spatial prédéfini qui comprend la trajectoire définie à l’étape précédente.
L’estimation de la température délivrée par le simulateur correspond à la température de la poudre à un instant prédéfini située temporellement à la fin du balayage de l’ensemble de la trajectoire par le laser après un temps de thermalisation de la poudre.
Cette estimation peut être calculée à partir des éléments que l’on a déjà définis précédemment comme le découpage virtuel de la trajectoire en segments et la somme de variations de température en différents points du domaine spatial dues au balayage de chaque segment par le laser.
On obtient à l’issue de la deuxième étape une carte des températures de la poudre dans le domaine spatial prédéfini à l’instant prédéfini. Dans une troisième étape, une courbe isotherme correspondant à la somme de la température initiale de la poudre T0 et de la différence seuil de température Ds est déterminée au sein de la carte des températures obtenue à la deuxième étape. Cette courbe isotherme correspond à une élévation en température de la différence seuil de température Ds.
Dans une quatrième étape, le voisinage spatial est déterminé comme la distance maximale dans la direction perpendiculaire à la trajectoire de type portion de droite entre deux points de la courbe isotherme déterminée à l’étape précédente. Dans une cinquième étape, le voisinage temporel est déterminé comme le rapport sur la vitesse de balayage du laser de la distance maximale dans la direction de la trajectoire de type portion de droite entre deux points de la courbe isotherme déterminée à la troisième étape. La figure 14 représente les distances utiles pour déterminer le voisinage spatial et le voisinage temporel. L’axe X représenté sur la figure 14 représente la direction de la portion de droite de la trajectoire définie dans la première étape de la méthode précédente. La trajectoire est balayée dans le sens des X croissants. L’axe Y représente la direction perpendiculaire à la trajectoire de type portion de droite.
La courbe fermée 100 représente la courbe isotherme définie lors de la troisième étape de la méthode précédente.
Le voisinage spatial correspond à la longueur du segment 101.
La distance maximale entre deux points de la courbe isotherme déterminée à la troisième étape dans la direction de la trajectoire de type portion de droite correspond à la longueur du segment 102. Le rapport de la longueur du segment 102 sur la vitesse de balayage permet de définir le voisinage temporel. Une fois le voisinage spatial Vl et le voisinage temporel Vt déterminés, ces données peuvent être utilisées pour limiter le temps de calcul pour prédéterminer les variations de température permettant de calculer les puissances ajustées dans le procédé de fabrication additive sélective.
Plus précisément, l’estimation d’une température de la poudre avant consolidation Tp à un instant tn en un n-ème point de la couche, peut être menée en prenant en considération les variations en température de la poudre dues à l’émission d’un faisceau laser de sorte à éclairer n-1 points de la couche de poudre, chaque i-ème point, avec est éclairé par le faisceau laser à l’instant ti et se trouve situé à une distance rni du n-ème point de la couche de poudre, tels que pour chaque les inégalités suivantes sont respectées :
L'appareil 121 de fabrication additive sélective représenté sur la figure 1 et tel qu’on la précédemment présenté comprend l’unité de contrôle 129 qui peut être configurée pour commander la source de type laser 1212 de sorte que la source émette un faisceau laser sur un premier point de la couche de poudre de fabrication additive, de sorte à consolider une première zone de la couche de poudre comprenant le premier point.
L’appareil 121 de fabrication additive sélective peut comprendre une mémoire M pour mémoriser une variation de température estimée de la couche de poudre en un deuxième point de la couche de poudre causée par l’émission du faisceau laser de sorte à consolider la première zone de la couche de poudre, la variation de température estimée étant fonction de la distance entre le premier point et le deuxième point et d’un intervalle de temps prédéterminé, L’unité de contrôle 129 peut être configurée pour :
- ajuster une puissance du faisceau laser en fonction de la variation de température estimée mémorisée dans la mémoire,
- commander la source de type laser de sorte que la source émette du faisceau laser avec la puissance ajustée de sorte à consolider une deuxième zone de la couche de poudre comprenant le deuxième point, l’émission du faisceau laser sur le premier point et l’émission du faisceau laser sur le deuxième point étant temporellement séparées de l’intervalle de temps prédéterminé. L’appareil 121 de fabrication additive sélective peut également comprendre un calculateur ou un simulateur C représenté sur la figure 1 pour déterminer des estimations de variations de température une fois que le procédé de fabrication a débuté. Le calculateur ou le simulateur C est adapté pour traiter les différents points de la trajectoire suffisamment rapidement, en particulier le temps durant lequel les différents points sont traités par le calculateur ou le simulateur doit être inférieur ou au moins égal au temps mis par le faisceau laser à éclairer ou balayer ces mêmes points à la vitesse prédéfinie. Un tel calculateur ou simulateur C peut collaborer avec la mémoire M de façon à mémoriser les estimations de variations de température une fois qu’elles ont été produites.

Claims

REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication additive sélective d’un objet tridimensionnel à partir d’une couche de poudre, le procédé comprenant les étapes de : - application d’une couche de poudre de fabrication additive sur un support ou sur une couche préalablement consolidée,
- émission d’un faisceau laser sur un premier point de la couche de poudre de fabrication additive, de sorte à consolider une première zone de la couche de poudre comprenant le premier point,
le procédé étant caractérisé en ce qu’il comprend en outre
- un ajustement d’une puissance du faisceau laser en fonction d’une variation de température estimée de la couche de poudre en un deuxième point distinct du premier point de la couche de poudre causée par l’émission du faisceau laser de sorte à consolider la première zone de la couche de poudre, la variation de température estimée étant fonction de la distance entre le premier point et le deuxième point et d’un intervalle de temps prédéterminé,
- une émission d’un faisceau laser sur le deuxième point avec la puissance ajustée de sorte à consolider une deuxième zone de la couche de poudre comprenant le deuxième point, l’émission du faisceau laser sur le premier point et l’émission du faisceau laser sur le deuxième point étant temporellement séparées de l’intervalle de temps prédéterminé. 2. Procédé de fabrication additive sélective selon la revendication 1, dans lequel la variation de température estimée∆^ est préalablement estimée, en fonction de la distance ^^^ entre le premier point et le deuxième point et de l’intervalle de temps prédéterminé , en calculant : Q1 étant une énergie reçue par la couche au cours de l’émission du faisceau laser de sorte à consolider la première zone de la couche de poudre, e étant une effusivité thermique de la couche de poudre, R étant un rayon du faisceau laser, ^ étant une diffusivité thermique de la couche de poudre et t0 est un instant prédéterminé. 3. Procédé de fabrication additive sélective selon la revendication 1 ou 2, comprenant en outre des étapes de :
- ajustement d’une puissance du faisceau laser en fonction d’une estimation d’une température de la poudre avant consolidation Tp(tn) à un instant tn en un n-ème point de la couche, n étant un nombre entier supérieur ou égal à deux, l’estimation dépendant des variations en température de la poudre dues à l’émission d’un faisceau laser de sorte à consolider n-1 zones de la couche de poudre,
le n-ème point étant situé à la distance rni d’un i-ème point de la couche de poudre, avec i = 1, 2,… (n - 1),
chaque i-ème point étant situé au sein d’une i-ème zone de la couche de poudre consolidée et étant éclairé par le faisceau laser à l’instant ti, de la manière suivante :
dans laquelle ^^ est la température initiale de la poudre,
- émission à l’instant ^^ d’un faisceau laser vers le n-ème point de sorte à consolider une n-ème zone de la couche de poudre comprenant le n-ème point, avec la puissance ajustée. 4. Procédé de fabrication additive sélective selon la revendication 3, dans lequel en outre chaque i-ème point des (n-1) premiers points de la couche est situé à une distance rni du n-ème point de la couche de poudre telle que rni £ Vl dans lequel Vl est un voisinage spatial prédéterminé, et chaque i-ème point correspond à un instant ti d’émission du faisceau laser vers le i-ème point tel que |tn - ti | £ Vt, dans lequel Vt est un voisinage temporel prédéterminé, avec i = 1, 2,… (n - 1), et n un nombre entier supérieur ou égal à deux. 5. Procédé de fabrication additive sélective selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre le calcul d’une puissance ^^ du faisceau laser émis sur le n-ème point de la couche de poudre de fabrication additive en fonction d’une estimation d’une température avant consolidation Tp(tn) de la manière suivante
dans laquelle∆^ est un pas temporel prédéterminé et Ts est une température seuil prédéterminée. 6. Procédé de fabrication additive sélective selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la température seuil Ts est prédéterminée en fonction d’au moins un objectif de température choisi parmi les conditions suivantes :
- une température de la poudre à atteindre en un point où passe le centre du spot laser et au moment du passage du laser,
- une température de la poudre maximale atteinte au cours du temps en un point où passe le centre du spot laser,
- une température de la poudre maximale atteinte au cours du temps en un point de la couche de poudre,
- une température supérieure à ne pas dépasser au cours du temps en tout point de la couche de poudre,
- une température inférieure sous laquelle ne pas passer en tout point de la poudre, ou
- une combinaison de ces conditions éventuellement variable au cours du procédé de fabrication. 7. Procédé de fabrication additive sélective selon l’une quelconque des revendications 1 à 6 dans lequel le laser balaye une trajectoire discontinue comprenant un premier groupe de portions de droites parallèles entre elles. 8. Procédé de fabrication additive sélective selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le laser balaye une trajectoire continue comprenant le premier groupe de portions de droites parallèles entre elles et un deuxième groupe de portions de droites, chaque portion de droite du deuxième groupe joignant une première extrémité d’une première portion de droite du premier groupe et une deuxième extrémité d’une deuxième portion de droite du premier groupe, la deuxième portion de droite étant voisine de la première portion de droite. 9. Procédé de fabrication additive sélective selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel l’estimation de la variation de température de la couche de poudre au n-ème point causée par l’émission du faisceau laser de sorte à consolider une ou plusieurs zones de la couche de poudre est réalisée une fois que le procédé de fabrication a commencé. 10. Appareil de fabrication additive sélective (121) d’un objet tridimensionnel (122) à partir d’une couche de poudre, l’appareil comprenant :
- une source de type laser (1212),
- une unité de contrôle (129) configurée pour commander la source de type laser de sorte que la source émette un faisceau laser sur un premier point de la couche de poudre de fabrication additive, de sorte à consolider une première zone de la couche de poudre comprenant le premier point,
l’appareil étant caractérisé en ce qu’il comprend en outre :
- une mémoire (M) pour mémoriser une variation de température estimée de la couche de poudre en un deuxième point de la couche de poudre causée par l’émission du faisceau laser de sorte à consolider la première zone de la couche de poudre, la variation de température estimée étant fonction de la distance entre le premier point et le deuxième point et d’un intervalle de temps prédéterminé,
et dans lequel l’unité de contrôle est configurée pour :
- ajuster une puissance du faisceau laser en fonction de la variation de température estimée mémorisée dans la mémoire,
- commander la source de type laser de sorte que la source émette un faisceau laser sur le deuxième point avec la puissance ajustée de sorte à consolider une deuxième zone de la couche de poudre comprenant le deuxième point, l’émission du faisceau laser sur le premier point et l’émission du faisceau laser sur le deuxième point étant temporellement séparées de l’intervalle de temps prédéterminé. 11. Appareil de fabrication additive sélective (121) d’un objet tridimensionnel (122) selon la revendication 10, comprenant en outre un calculateur ou un simulateur (C) adapté pour déterminer des estimations de variations de température de la couche de poudre en un n-ème point causée par l’émission du faisceau laser de sorte à consolider une ou plusieurs zones de la couche de poudre une fois que le procédé de fabrication a débuté.
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