EP4093566A1 - Procédé de fabrication d'une pièce multi-matériaux par fabrication additive, selon la technique de fusion sélective ou de frittage sélectif de lit de poudre par laser - Google Patents

Procédé de fabrication d'une pièce multi-matériaux par fabrication additive, selon la technique de fusion sélective ou de frittage sélectif de lit de poudre par laser

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EP4093566A1
EP4093566A1 EP21702194.8A EP21702194A EP4093566A1 EP 4093566 A1 EP4093566 A1 EP 4093566A1 EP 21702194 A EP21702194 A EP 21702194A EP 4093566 A1 EP4093566 A1 EP 4093566A1
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EP
European Patent Office
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laser
zone
powder
metal
layer
Prior art date
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Pending
Application number
EP21702194.8A
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German (de)
English (en)
Inventor
Frédéric Veron
Olivier Vendier
Philippe Tailhades
Valérie BACO-CARLES
Kateryna KIRYUKHINA
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 d'Études Spatiales
Centre National de la Recherche Scientifique
Thales SA
Université de Toulouse
Original Assignee
Centre National d'Études Spatiales
Centre National de la Recherche Scientifique
Thales SA
Universite Toulouse III Paul Sabatier
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 d'Études Spatiales, Centre National de la Recherche Scientifique, Thales SA, Universite Toulouse III Paul Sabatier filed Critical Centre National d'Études Spatiales
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Pending legal-status Critical Current

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Definitions

  • the present invention lies in the field of additive manufacturing by the technique of powder bed fusion by laser (LPBF for "Laser Power Bed Fusion” in English), and more precisely the selective fusion of powder bed by laser (SLM). for “Selective Laser Melting”) or selective laser powder bed sintering (SLS for “Selective Laser Sintering”), so as to obtain multi-material parts.
  • SLM powder bed fusion by laser
  • SLS selective laser powder bed sintering
  • selective melting can denote both melting and sintering.
  • the invention relates to a method of manufacturing a multi-material part by the selective laser melting technique, and a multi-material part produced by this method.
  • the general problem is to manufacture multi-material parts with complex shapes, including metal parts and dielectric parts in the manufacturing plan and in the manufacturing direction, which is referred to as "3D" multi-material parts.
  • Dielectric designates a substance of low conductivity in which a strong electrical polarization can appear in the presence of an electric field.
  • An example of a dielectric targeted by the invention is an oxide ceramic (metal oxide) or a non-oxide ceramic such as a nitride ceramic (metal nitride) or a silicon oxide (SiO x ).
  • Some of the sought-after 3D multi-material parts can be constituted by periodic dielectric patterns included in a metal matrix or, conversely, by periodic metal patterns in a dielectric matrix.
  • the periodic organization of the dielectric or the metal can indeed generate a metamaterial with original properties.
  • the term “metamaterial” is understood to mean an artificial composite material which exhibits optical, magneto-optical, acoustic or electromagnetic properties which are not found in a natural material.
  • the invention can in particular find applications in the production of multi-material parts for electronic devices, for example passive microwave devices such as filters with dielectric resonators or 3D transitions for integrated microwave front-end for active antennas, for metallic devices comprising thermal or mechanical protection by a dielectric, metallic devices whose optical properties are modified by a dielectric, and / or metamaterials.
  • passive microwave devices such as filters with dielectric resonators or 3D transitions for integrated microwave front-end for active antennas
  • metallic devices comprising thermal or mechanical protection by a dielectric
  • metallic devices whose optical properties are modified by a dielectric and / or metamaterials.
  • the sought-after 3D multi-material parts include metal parts and other dielectric parts (typically a metal oxide or metal nitride ceramic) in the fabrication plane (XY) and in the fabrication direction (ZX or ZY), such as this is illustrated in FIGS. 1 A and IB in which dielectric parts D can be seen in a metal matrix M (FIG. 1 A) or metal parts M in a dielectric matrix D (FIG. IB).
  • metal parts and other dielectric parts typically a metal oxide or metal nitride ceramic
  • XY fabrication plane
  • ZX or ZY fabrication direction
  • FIGS. 1 A and IB in which dielectric parts D can be seen in a metal matrix M (FIG. 1 A) or metal parts M in a dielectric matrix D (FIG. IB).
  • additive manufacturing designates according to the NF E 67-001 standard, "all the processes making it possible to manufacture layer by layer by adding material a physical object from a digital object". This term covers dozens of names of manufacturing technologies, classified into seven categories of processes according to standard NF ASTM 52900.
  • Additive manufacturing by binder jetting is a process in which a bed of powder is spread and then a nozzle projects a liquid binder to solidify a section of the part in the production plane (XY). It is necessary to remove the binder and to densify the part by conventional heat treatment. You can use any type of powder (polymer, metal, ceramic) or mixture of powders to make multi-material parts in composite form.
  • this technique requires an additional step, controlling the withdrawal of the binder which can be critical when it is important to respect part dimensions, such as to form passive microwave functions.
  • this technique does not make it possible, or very difficult, to form different materials in the same plane (XY fabrication plane).
  • Additive manufacturing by material / ink jet (“Material Jetting” in English) is a process in which a printhead movable along the three axes projects a photosensitive polymer, which acts as an ink, which is then polymerized. by UV radiation.
  • Polymers can be loaded with particles of interest (ceramic, metal).
  • Some systems include multi-channel printheads for selectively projecting different polymers (which may be loaded with different particles).
  • the photopolymerization produced by UV radiation makes it possible to have a multi-material part with a polymer matrix containing charged parts of ceramic or metal in three dimensions.
  • Additive manufacturing by tank photopolymerization is a process in which a liquid photosensitive polymer is contained in a tank having at the bottom a window transparent to UV radiation: an energy source (for example a laser) Selectively polymerizes the liquid resin in the build plane through this window.
  • An energy source for example a laser
  • a platform movable in the manufacturing direction rises of a controlled thickness allowing the liquid resin to fill the gap between the previous cured layer and the transparent window.
  • a new iteration occurs, and so on in order to obtain the desired part.
  • the resins can be loaded with particles of interest (metal or ceramic) so as to form a mono-material or a composite. This technique requires the availability of suitable devices, making it possible to change the resin bath during manufacture, so as to actually obtain a multi-material part in the three directions and not just a composite.
  • Additive manufacturing by material extrusion is a process in which a three-axis movable printhead extrudes a continuous polymer matrix filament to manufacture a part.
  • Multifilament print heads whose polymer matrix filaments can be loaded with particles of interest (metal or ceramic), make it possible to manufacture multi-material parts.
  • the temperature resistance is limited depending on the type of polymers, which can lead to problems with the dimensions of parts and / or parts of parts that are not respected, in particular if the polymer is withdrawn, or insufficient microwave characteristics;
  • the dielectric losses at microwave frequencies in particular are higher on polymers than on ceramics, in particular if the polymer is maintained;
  • the presence of polymer can also induce pollution, the polymer having a tendency to capture particles and then to release them.
  • Additive manufacturing by directed energy deposition is a process in which a head moving in three directions projects metal powder which is simultaneously melted under a laser (LENS for “Laser Engineered Net Shaping”) or electron (EBAM for “Electron Beam Additive Manufacturing” in English) allowing the obtaining of a part.
  • LENS Laser Engineered Net Shaping
  • EBAM Electro Beam Additive Manufacturing
  • Power Bed Fusion additive manufacturing is a process in which a layer of powder of controlled thickness is spread on a build plate.
  • This powder can be a polymer, a metal, a ceramic or even a composite mixture.
  • An energy source laser or electron beam
  • Another layer of powder is spread over the previous layer and then the manufacturing iteration continues to form a part.
  • this family of techniques mention may be made of the techniques described below.
  • selective means within defined areas. In other words, selective melting or selective powder bed sintering techniques allow powder to be melted or sintered in particular areas.
  • MJF Multi Jet Fusion
  • SLM Selective Laser Melting
  • metallic, ceramic or cermet (ceramic-metal mixture) powders can be used so as to manufacture multi-material 3D parts, that is to say comprising metal parts and other ceramic parts in the production plan and in the production direction.
  • this generally requires using a suitable experimental device or changing the powder during manufacture, which in both cases complicates the process.
  • known SLM techniques do not make it possible to obtain two different materials in the manufacturing plan.
  • the invention aims to overcome the aforementioned drawbacks of the prior art.
  • the invention aims to have a process for manufacturing multi-material parts and in particular multi-material parts with complex shapes, comprising metal parts and dielectric parts (typically ceramic metal oxide or ceramic nitride. metal) in the production plan and in the production direction.
  • metal parts and dielectric parts typically ceramic metal oxide or ceramic nitride. metal
  • the invention aims to manufacture multi-material parts with distinct metal and dielectric parts in the three directions of space, arranged periodically or not, and without limit of form factor and with precision in relationship with the targeted areas, for example with the microwave requirements (either typically less than or equal to 100 ⁇ m, depending on the size of the laser beam, the diffusion of heat around the laser beam and also the targeted frequency band) .
  • the invention aims to provide a manufacturing process in which it is not necessary to change the powder during manufacture.
  • the invention aims to have a manufacturing process which makes it possible to use a conventional selective laser melting device, that is to say which does not require the latter to be significantly adapted.
  • An object of the invention making it possible to remedy these drawbacks is a method of manufacturing a multi-material part by additive manufacturing, said method comprising the following steps: a) a step of supplying a pretreated metal powder comprising grains and an oxidized and porous layer on the surface of said grains; b) a step of selective melting of the powder bed by laser comprising the implementation of steps i) and ii) the following: i) a step of forming a layer from the pretreated metal powder; ii) a laser melting step of all or part of said pretreated metal powder layer, said melting step being carried out in a reactive atmosphere and said melting step comprising the adaptation of laser application parameters to transform at least one first zone of said layer of pretreated metal powder so as to lower its electrical conductivity, thus forming a dielectric, and to densify at least a second zone of said layer of pretreated metal powder without transforming it, the at least one first zone being formed when the laser application parameters make it possible to apply a first energy density to said first zone and / or
  • the process is thus carried out according to the technique of selective melting or selective sintering of the powder bed by laser.
  • the pretreated metal powder layer may include one or more zones not subjected to the laser, as is generally the case for making parts by additive manufacturing using a powder bed melting technique.
  • pretreated metal powder layer is carried out by depositing pretreated metal powder, typically on a support or on a previously formed layer.
  • the thickness of the formed layer can vary from one layer to another.
  • a material is obtained with a first predominantly dielectric zone and a second predominantly metallic zone.
  • the method can include a plurality of successions of steps i) and ii).
  • the method can also comprise, for at least one layer of powder, an alternative step to step ii) in which only at least one predominantly dielectric first zone is formed.
  • the method can also comprise, for at least one layer of powder, an alternative step to step ii) in which only at least one second predominantly metallic zone is formed.
  • the solution is to use a pretreated metal powder, usually a chemical pretreatment with an oxidizing reagent (oxy-reduction reaction).
  • the powder can be supplied already pretreated, or be pretreated during the process.
  • the pretreatment of the powder must be adapted to replace any compact layer of passivation of the metal by an oxidized (valence state of the metal greater than zero) and porous layer.
  • This oxidized and porous layer makes it possible to facilitate the subsequent modification of the metal into a dielectric at the heart of the grains of the powder during additive manufacturing, according to the desired patterns.
  • the modification of the surface of the grains makes it possible to increase the optical absorbance and therefore to facilitate the transformation into a dielectric.
  • An example of a dielectric targeted by the invention is an oxide ceramic (metal oxide) or a non-oxide ceramic such as a nitride ceramic (metal nitride), associated with the metal or with a metal of the alloy of the metal powder.
  • oxide ceramic metal oxide
  • metal nitride metal nitride
  • Another example is silicon oxide (SiO x ).
  • this pretreated powder can then be placed in a powder feed tank of a powder bed laser fusion additive manufacturing machine.
  • This pretreatment makes it possible to transform and melt the pretreated metal powder into a dielectric or, in a different way, to melt the metal powder to densify it without transforming it, and this, in the manufacturing plan (on a single layer powder) and according to the production direction (according to the different layers).
  • the laser application parameters are in fact suitable either for bringing and maintaining the powder at a temperature and for a period sufficient to form a dielectric, or for bringing the powder to a more suitable temperature, and especially for a shorter period in order to to keep the majority metal, without transforming it while causing its densification.
  • the parameters are therefore adapted as a function of the areas that it is mainly desired to transform into a dielectric, or mainly to densify in metallic form.
  • densification and densify are known to those skilled in the art in the field of powder metallurgy. They refer to increasing the density of a material, usually by sintering or melting. Densification of a powder amounts to agglomerating the grains together so as to form a material whose porosity is reduced or even eliminated.
  • dense denotes a material with low porosity or even without porosity.
  • the invention therefore consists in adjusting the reactivity of a metal powder by a preliminary pretreatment aimed at creating an oxidized porous layer on its surface, so that it can then, during the step of selective melting of the powder, be transformed. dielectric or only densified in the metallic state according to predetermined zones.
  • the geometry and relative positioning of the predominantly dielectric areas and the predominantly metallic areas can be fixed by programming a conventional additive manufacturing device.
  • the invention therefore makes it possible to adjust the selectivity of the metal powder both in the manufacturing plan and in the manufacturing direction, with form factors related to an LPBF technique.
  • Another advantage of the process is its simplicity.
  • the method of the invention makes it possible to use only a single powder, which is a metal powder, unlike the methods of the state of the art which require having several powders in order to produce multiple parts. materials. It therefore makes it possible to do away with the successive implementation of two powders (a metal powder and a powder of material dielectric, in particular ceramic), which has the drawback of complicating the process and the device, and also of risking pollution of one material by another.
  • the invention does not require adapting the additive manufacturing device (by adding, for example, a nozzle system or a powder suction / deposition system to reduce the pollution of one powder by another, systems which are generally difficult to adapt for a powder bed laser fuser). It thus makes it possible to use a conventional device for additive manufacturing by powder bed fusion.
  • a metal powder is a metal or an alloy in a finely divided state, comprising a plurality of grains.
  • the standard powders used for additive manufacturing by powder bed fusion have grains whose particle size typically varies from a few micrometers to a few tens of micrometers.
  • the metal powder used is a metal powder or a metal alloy powder and is suitable for additive manufacturing by powder bed fusion.
  • metal powder oxidized on the surface means that the grains of the powder are oxidized on the surface, or at least that a major part of the grains are oxidized on the surface.
  • the grains are thus not oxidized throughout their volume, and must mainly retain a metallic volume at the heart of the grains.
  • the oxidized layer is porous and replaces the grain passivation layer.
  • a porous oxidized layer for example a layer of metal oxide, metal hydroxide or metal oxyhydroxide (if chemical treatment with a base) or a layer of metal salt (if chemical treatment with an acid) on the surface of the grains of the metal powder.
  • oxidized layer can be used to denote such an oxidized layer and porous at the surface.
  • an oxy-reduction reaction occurs with the metal: the reagent oxidizes the metal and the metal reduces the reagent. The metal therefore loses electrons and forms a new oxidized compound at the surface of the grains (of the metal salt type if reactive acid or of the oxide type if reactive basic). Chemical attack changes the surface finish of the metal grains, creating a porous layer.
  • the thickness of the oxidized and porous layer formed on the surface of the grains is greater than or equal to 0.02 ⁇ m.
  • the thickness of the oxidized and porous layer formed on the surface of the grains is less than or equal to 5 ⁇ m.
  • the method comprises, prior to the supply step, a step of pretreating a metal powder so as to form an oxidized and porous layer on the surface of the grains.
  • the pretreatment step comprises bringing the metal powder into contact with an oxidizing reagent in order to carry out an oxy-reduction reaction of said metal powder, the oxidizing reagent preferably being a strong acid or an oxidizing reagent. strong base, for example a halogenated acid or an alkali hydroxide.
  • the contacting of the reagent is carried out around all the grains.
  • the reagent is generally in the form of a more or less concentrated solution of active element. The solution can permeate the powder or be sprayed onto the grains.
  • the pretreatment step comprises bringing the metal powder into contact with a strong acid, preferably a halogenated acid, for example hydrochloric acid or hydrofluoric acid.
  • a strong acid preferably a halogenated acid, for example hydrochloric acid or hydrofluoric acid.
  • the pretreatment step comprises bringing the metal powder into contact with a strong base, preferably an alkali hydroxide, for example a sodium hydroxide or a potassium hydroxide.
  • a strong base preferably an alkali hydroxide, for example a sodium hydroxide or a potassium hydroxide.
  • the pretreatment step comprises bringing the metal powder into contact with water at a temperature greater than or equal to 80 ° C.
  • the pretreatment step comprising, subsequent to the oxy-reduction reaction, at least one of the following steps: a drying step, a grinding step, a sieving step.
  • the dielectric can be a ceramic obtained by a chemical transformation of the pretreated metal powder, typically an oxidation, or a nitriding.
  • high temperature is meant a temperature greater than or equal to the melting temperature of the metal or metal alloy.
  • the temperature of the metal powder and the temperature maintenance are related to the energy density transmitted to said metal powder.
  • the energy density expressed per unit area (in kJ / mm 2 ), is defined by the product of the energy transmitted by the power of the laser beam and the duration of the laser beam being maintained on said unit area. For a given area, the energy received is then the product of the energy density and the area of the area on which the laser beam is held.
  • the energy density is directly related to the length of time the laser is held on a unit area (which is logically related to the time in which the temperature is kept).
  • certain parameters of application of the laser on the pretreated metal powder layer are adapted depending on whether the formation of a dielectric material or the densification of the metal in a given area of the layer is desired.
  • Other laser application parameters can be held constant depending on whether the formation of a dielectric material or the densification of the metal is desired.
  • additive manufacturing parameters - which are not laser application parameters - are generally defined (layer thickness, atmosphere in the enclosure of the additive manufacturing device, etc.), although these parameters generally remain constant depending on whether the formation of a dielectric material or the densification of the metal is desired.
  • the laser application parameters can be adapted according to the zones so as to submit:
  • a first energy density that is to say a laser beam at a first power for a first holding time at at least a first zone of the layer so as to transform said first zone into dielectric material
  • a second energy density that is to say a laser beam at a second power for a second duration of maintenance at at least a second zone of the layer so as to densify said second zone without transforming it; the first hold time being greater than the second hold time or / the first energy density being greater than the second energy density.
  • the first hold time is at least five times greater than the second hold time, preferably at least ten times.
  • the first hold time is of the order of a second, that is to say a few seconds or even a little less than a second
  • the second hold time is of the order of a tenth of a second. , that is to say a few tenths of a second, or even a little less than a tenth of a second, and less than a second.
  • the first energy density is between 6 and 30 kJ mm 2 and / or the second energy density is between 0.2 and 5 kJ mm 2 .
  • the laser application parameters making it possible to vary the duration of maintenance of the laser beam and therefore the energy density subjected to a zone of the powder layer are chosen from: the speed of movement of the laser, the distance between two successive positions of the laser, the power of the laser and the distance traveled by the laser during a movement (and possibly the surface scanned by the laser). These parameters can act on the transformation kinetics of the pretreated metal powder and are very easily programmable.
  • the first laser power can be between 30 and 60 W, for example 50 W.
  • the second laser power can be between 30 and 60 W, for example 50 W.
  • the first power of the laser to form the at least one first zone is equal to the second power of the laser to form the at least one second zone.
  • the first displacement speed to form the at least one first zone is between 10 and 1000 mm. s 1 and the first spacing to form the at least one first zone is less than 10 ⁇ m.
  • the first displacement speed is between 100 and 1000 mm. s 1 .
  • the second displacement speed to form the at least one second zone is between 30 and 5000 mm.
  • s 1 and the second spacing to form the at least one second zone is between 1 and 200 ⁇ m.
  • the second displacement speed is between 100 and 1000 mm. s 1 .
  • the first distance traveled by the laser to form the at least one first zone is less than or equal to 2 mm.
  • the diameter of the laser beam is typically between 40 and 100 ⁇ m, for example equal to 70 ⁇ m. But it is possible to enlarge it by defocusing it. At the same laser power, this makes it possible to reduce the energy density submitted by the laser beam.
  • the melting step is carried out under an oxidizing atmosphere.
  • the melting step is carried out under a nitriding atmosphere.
  • Another object of the invention is a part obtained by the method and comprising at least a first part mainly comprising first dielectric zones and at least a second part mainly comprising second metal zones in the manufacturing plane and in the manufacturing direction. .
  • the first part is distributed periodically in a metal matrix or the second part is distributed periodically in a dielectric matrix.
  • the part comprises a metal core covered with a dielectric thermal barrier.
  • FIG.lA illustrates a multi-material part comprising dielectric parts in a metal matrix.
  • FIG.lB illustrates a multi-material part comprising metal parts in a dielectric matrix.
  • FIG.2 shows a powder bed laser fusion (SLM) additive manufacturing device.
  • SLM powder bed laser fusion
  • FIG. 3 shows four layers of powder arranged one on top of the other, indicates the thickness of a layer and the laser application parameters.
  • FIG.4 illustrates the parameters used to transform the pretreated metal powder into a dielectric or to densify it without transforming it.
  • FIG.5E illustrate a first example of multi-material parts obtained by a first example of the process according to the invention with variants.
  • FIG.6D illustrate a second example of multi-material parts obtained by a second example of the process according to the invention with variations.
  • FIG.7B illustrate two Ellingham diagrams grouping the equilibrium curves of a metal and its oxides for several metals.
  • the invention relates to a method which combines the use of a pretreated metal powder, that is to say with an oxidized and porous layer on the surface of the grains of said powder, and the melting of said pretreated powder by the technique of powder bed fusion by laser, the parameters of which are adapted to selectively melt and transform the pretreated metal powder bed into the majority dielectric (typically metal oxide ceramic or metal nitride ceramic) and / or the majority metal, in a reactive atmosphere (typically oxidizing or nitriding).
  • a pretreated metal powder that is to say with an oxidized and porous layer on the surface of the grains of said powder
  • the parameters of which are adapted to selectively melt and transform the pretreated metal powder bed into the majority dielectric (typically metal oxide ceramic or metal nitride ceramic) and / or the majority metal, in a reactive atmosphere (typically oxidizing or nitriding).
  • the additive manufacturing parameters by the laser powder bed melting technique include laser application parameters, but also powder layering parameters, the choice of the atmosphere in the enclosure of the manufacturing device. additive ...
  • the method comprises a step of pretreating a metal powder so as to form an oxidized and porous layer on the surface of the grains.
  • the aim of the pretreatment is to form an oxidized and porous layer on the surface of the grains of the metal powder. This makes it possible to modify the reactivity of the powder with the gas contained in the enclosure of the additive manufacturing stage.
  • the thickness of the oxidized layer must be sufficient to sufficiently modify the absorbance of the metal powder. However, it should not be too large in order to mainly retain a metallic volume at the heart of each grain.
  • the aim of the pretreatment is to modify the surface of the grains sufficiently to make the powder more reactive with the gas contained in the additive manufacturing enclosure by creating a porous oxidized layer around the grains. The consequence of this is to increase the absorbance of the powder for the wavelength of the laser and therefore to facilitate the transfer of energy to the powder while retaining the predominantly metallic phase.
  • an average oxidized and porous surface thickness of between 0.02 and 5 ⁇ m is suitable, although this range is not limiting and depends in particular on the metal or the alloy constituting the powder, from the particle size of said powder, the reactivity targeted during the additive manufacturing step, etc.
  • the pretreatment is a chemical pretreatment, preferably using an oxidizing reagent, so as to produce an oxy-reduction reaction with the metal.
  • the oxidation-reduction reaction changes the surface finish of the metal grains by generating a porous layer.
  • the redox reaction depends on the pH (which itself depends on the concentration of reagent and on the dissociation constant of the reagent) and on the potential of the solution containing the oxidant and the reducing agent with respect to to the normal hydrogen electrode, according to the Pourbaix diagram.
  • the redox reaction can therefore be configured according to the type of metal powder (reducing agent), the oxidant chosen (for example strong base or strong acid) which conditions the pH value of the solution.
  • the product obtained is generally dried, ground and / or sieved so as to obtain a homogeneous pretreated powder. This can be checked to check for homogeneity.
  • An exemplary embodiment is given for an alloy of type A1SÎ12 (very predominant aluminum).
  • Reagents capable of oxidizing aluminum are for example:
  • halogenated acid HCl, HF
  • aluminum salts such as aluminum fluoride (A1F 6 3 ) or aluminum chloride (AICI3).
  • bases are preferred to halogenated acids.
  • the liquid of the reagent should advantageously envelop all the grains of the powder.
  • the inventors used a calculation method to determine a minimum volume to coat all the grains of powder of AlSÎ12 alloy from its bulk density (between 0.96 g. Cm 3 and 1.44 g. Cm 3 ) and its actual density (2.66 g. cm 3 ).
  • An apparent mass volume is obtained (between 0.69 cm 3. G 1 and 1.04 cm 3. G 1 ) and an actual mass volume (0.38 cm 3. G 1 ).
  • the difference between the apparent mass volumes and the actual mass volume we obtain the interstitial mass volume around the powder of between 0.66 cm 3 . g 1 and 0.31 cm 3 .
  • concentration of the reagent influences in particular:
  • An exemplary embodiment is given with sodium hydroxide (NaOH) solution as oxidizing reagent.
  • sodium hydroxide (NaOH) concentration range of between 0.125 mol.L 1 and 5 mol.L 1 in the solution. This concentration range is given as a guide, for sodium hydroxide as a reagent and an AlSÎ12 alloy powder. This range is in no way limiting, because it depends in particular on the metal or the alloy constituting the powder, the reagent used, the thickness of the oxidized layer targeted, the type of phase targeted, etc.
  • the metal powder to be treated is mixed with the oxidizing reagent solution.
  • the AlSÎ12 alloy powder is poured into a suitable container, for example a cry stalli evening, preferably metallic, then the reagent solution is added.
  • the reagent must be poured in gradually to prevent the reaction from racing, and then mixed regularly to prevent the product from sticking to the walls of the cry stalli evening.
  • drying is carried out to remove water, for example by heating the reaction product to around 150 ° C until there is no water. more steam generated.
  • the powder obtained must generally be ground and sieved so as to obtain a particle size suitable for additive manufacturing.
  • the powder thus obtained can finally be controlled, for example using DRX and / or FTIR.
  • the attack of the soda on the A1SÎ12 alloy generates on the surface of the grains an oxidized and porous layer with mainly aluminosilicates and sodium carbonate in the presence of highly concentrated sodium hydroxide or of aluminum hydroxide and sodium carbonate in the presence. less concentrated soda. Thanks to the porous structure of the oxidized layer, oxidation at the heart of the grains is facilitated during additive manufacturing.
  • These porous oxidized elements can, with suitable laser melting parameters, easily transform into majority stoichiometric alumina and some minority phases such as: non-stoichiometric alumina, aluminosilicates, metal residues.
  • One method implemented by the inventors is to carry out tests with different concentrations of reagent brought into contact with identical samples of metal powders, then to determine the thicknesses obtained around the grains, the nature of the oxidized phases, the porosities and / or the absorbances obtained, using for example one or more of the following techniques:
  • FTIR Fourier transform infrared spectroscopy
  • UV, visible, or near infrared makes it possible to evaluate the absorbance of the powder treated for an NIR (near infrared) laser
  • This method makes it possible to determine the most suitable reagent concentrations.
  • FIG. 2 shows a device 100 for additive manufacturing on a so-called SLM powder bed, making it possible to implement the step of selective melting of the powder bed by laser, comprising a support plate 102 on which one or more parts 2 are manufactured according to the method of selective melting of a powder bed 1 by laser.
  • the system 100 comprises a reservoir 104 capable of containing a powder and a powder diffuser 106 which makes it possible to deposit a layer of powder from the reservoir to the support 102 where, under the effect of the energy transmitted by a laser 110, the fusion of the powder operates to produce a layer of the part (s) to be manufactured. The deposition then fusion process is repeated layer by layer until the final part (s) is obtained.
  • Plateau 102 descends at each once a layer is formed and a new layer of powder needs to be deposited.
  • the assembly is placed in a gas-tight enclosure 108 which makes it possible to control the desired gas atmosphere.
  • the complete process is not described in more detail, and those skilled in the art will be able to refer to the numerous literature on additive manufacturing processes by laser fusion of a powder bed and the variant embodiments based on this same principle.
  • the pretreated metal powder is placed in the reservoir 104 and the powder diffuser 106 makes it possible to deposit a layer of said powder towards the support 102.
  • the first layer is deposited on the support, and the following layers are deposited. one over the other.
  • the part that one wishes to manufacture comprises dielectric and metallic parts, even for the same powder layer, which correspond to different areas of said layer. Depending on the areas, the laser application parameters are adapted.
  • Figure 3 illustrates four layers of pretreated metal powder (11, 12, 13, 14) arranged one on top of the other, and indicates the thickness of a layer (Th) and the laser application parameters: the laser power (P), the speed of movement (v) of the laser, the distance (d) between two movements.
  • Figure 3 also illustrates a tile in a checkerboard sweep strategy.
  • the pad has a surface (S) and a side which corresponds to the displacement (D) of the laser in the longitudinal direction which is also a laser application parameter which can be varied.
  • Laser powder bed melting techniques use different laser beam scanning strategies. For most laser scanning strategies on a given layer, the laser beam travels a certain distance (D) in a longitudinal direction in a given direction, and then is shifted transversely to the longitudinal direction by a spacing value (d ) given, and starts again in the longitudinal direction in the other direction and so on so as to sweep an entire surface (S) defined on the powder layer.
  • the powder layer is divided into blocks and the distance (D) traveled by the laser corresponds to one side of the block.
  • the sweeping of a paving stone is done by successions of longitudinal movements and transverse offsets. Then we move on to sweeping another pavement until sweeping the entire checkerboard. There are usually overlaps between the pavers.
  • Scanning strategies are generally defined by device programming.
  • the surface of a paving stone is either predominantly metallic (generally with residues of oxidized phases) or predominantly dielectric (generally with metallic residues or even minor oxidized phases).
  • the surface of a paving stone is defined as a function of the predominantly metallic and / or dielectric phase surfaces desired.
  • the laser power is usually a first parameter to adjust. Indeed, too low a power does not provide enough energy to raise the powder to a sufficient temperature and transform it and conversely, too high a power generates ablation, making additive manufacturing impossible.
  • the pfd density is adjusted, which is linked to the power of the laser and to the diameter of the laser beam.
  • the laser is preferably focused so as to maintain better resolution.
  • the diameter of the laser beam is between 40 and 100 ⁇ m, for example 70 ⁇ m. You can keep the same laser power for metal densification without transformation, or you can change the laser power.
  • the speed of movement of the laser In all cases (transformation of the powder or densification without transformation), the speed of movement of the laser must not be too low, to avoid hollows and / or deformations in the powder bed. And it should not be too high to allow the powder to heat sufficiently.
  • the speed of movement of the laser is typically between 10 mm. s 1 and 5000 mm. s 1 .
  • the following description gives speed values which are particularly suitable for transforming a metal powder into a ceramic dielectric material (typically metal oxide or metal nitride), or for densifying said powder without transforming it, as a function of other parameters of laser application.
  • a chemical reaction must be produced between a gas and the metal, at high temperature for a certain period of time.
  • first holding time ti typically of the order of a second, that is to say of a few seconds, or even a little less than a second. Examples of the first hold time f are given below.
  • An inter-vector overlap refers to the distance between the centers of the laser beam of two consecutive laser displacement vectors. If this center-to-center distance is less than the diameter of the laser beam, there is an overlap.
  • first spacing value di A strong coverage, sufficient to transform the metal powder into dielectric material, is obtained by a low spacing value (first spacing value di).
  • first spacing value di Typical inter-vector spacing values are on the order of pm, resulting in at least 90% coverage. Examples of the first spacing value di are given below.
  • the speed of movement of the laser beam is suitable for transforming a given unit of powder surface into dielectric material.
  • Examples of the first travel speed vi are given later. Since the oxidation kinetics must be relatively slow to be effective, the beam travels slowly and the laser power may be lowered, or not necessarily increased.
  • the laser beam can move at a speed (second displacement speed V2) equivalent to the first displacement speed vi, or even lower, but a lower inter-vector overlap is required.
  • a low recovery value is obtained by a high gap value (second gap value d2). Examples of second displacement speed V2 and of second spacings d2 are given further below.
  • the second temperature holding time t 2 is in this case typically of the order of a tenth of a second, that is to say a few tenths of a second, or even less than a tenth of a second, and less than one second. Examples of a second hold time t 2 are given below.
  • the laser application parameters are adapted according to the zones so as to submit:
  • a first energy density Qi that is to say a laser beam at a first power Pi for a first holding time L at at least a first zone of a layer of powder so as to transform said first part dielectric
  • a second energy density Q 2 that is to say a laser beam at a second power P 2 for a second holding time t 2 at at least a second zone of the powder layer so as to densify said second part in metal without transforming it; the first hold time L being greater than the second hold time t 2 or the first energy density Qi is greater than the second energy density Q 2.
  • the first laser power P 1 can be between 30 and 60 W.
  • the second laser power P 2 can be between 30 and 60 W.
  • the first laser power can be equal to the second laser power.
  • the first holding time ti can be between 0.7 and 2 seconds, preferably between 1 and 2 seconds.
  • the first energy density Qi can be between 10 and 20 kJ.mm 2 .
  • the second holding time t 2 can be between 0.07 and 0.26 seconds, preferably between 0.1 and 0.2 seconds.
  • the second energy density C can be between 0.2 and 2 kJ.mm 2 .
  • the laser application parameters making it possible to vary the maintenance time t of the laser beam and therefore the energy density Q subjected to a zone of the powder layer are chosen from: the speed of movement v of the laser, the distance d between two successive positions of the laser, the power of the laser P and the distance D traveled by the laser during a movement (and possibly the surface S scanned by the laser). These parameters can act on the transformation kinetics of the metal powder and are very easily programmable.
  • the movements of the laser beam are generally carried out in a direction which will be called the longitudinal direction.
  • Said displacement is generally called “laser vector”, the length of which corresponds to the distance D.
  • the spacing d of the laser beam corresponds to an offset between two longitudinal displacements of the laser beam, in the same plane and generally transverse to the longitudinal direction and is generally called “difference between two vectors", or “inter-vector” difference).
  • the distance traveled by the laser is not necessarily rectilinear, in particular in concentric movements of the laser beam, as will be described later.
  • first displacement speed (vi), respectively first separation (di)” denotes the displacement speed, respectively G separation, to transform a first part of powder into ceramic.
  • second displacement speed (V2), respectively second spacing (d2) denotes the displacement speed, respectively the spacing, to densify a second part of powder into metal without transforming it.
  • the first movement speed vi can be between 10 and 1000 mm. s 1 , preferably between 50 and 1000 mm. s 1 even more preferably between 100 and 1000 mm. s 1 .
  • the first spacing di is preferably less than 10 ⁇ m and may be between 1 and 10 ⁇ m.
  • the first spacing and the first movement speed are linked: the higher the first movement speed, the lower the first spacing must be to apply a sufficient temperature holding time, and conversely, a high first spacing can be chosen if the first travel speed is low.
  • the second movement speed can be between 30 and 5000 mm. s 1 , preferably between 100 and 2000 mm. s 1 even more preferably between 100 and 1000 mm. s 1 .
  • the second spacing d2 can be between 1 and 200 ⁇ m, preferably between 10 and 200 ⁇ m, even more preferably between 20 and 100 ⁇ m, or between 50 and 100 ⁇ m.
  • the second spacing and the second movement speed are linked: the lower the second movement speed, the greater the second spacing must be to avoid applying too long a temperature holding time, and conversely, a second spacing can be chosen. low if the second travel speed is high.
  • the distance traveled by the laser, linked to the strategy for moving the laser beam, is a parameter that can also be used.
  • the first distance traveled by the laser to form the dielectric material is less than 2 mm.
  • the suitable parameters can be determined beforehand by making several identical samples of pretreated powder, by varying the parameters of application of the laser on the different samples, the thicknesses of powder deposited, and / or the atmosphere in the chamber, then by characterizing the parts obtained, which are called "test dies" and which are for example in the form of identical cubes. For example, by varying the laser application parameters: the laser power (P), the displacement speed (v) of the laser, the distance (d) between two successive passes of the laser, or even the distance (D ) from the laser, several test cubes are obtained. The test cubes are then taken from the manufacturing support and characterized to determine which is the predominant phase (metal or dielectric).
  • the thickness (Th) of the metal powder layer formed is greater than or equal to the mean diameter of the grains, typically greater than or equal to 30 ⁇ m, preferably greater than or equal to 50 ⁇ m
  • the thickness of the layer formed is also generally less than or equal to 200pm, preferably less than or equal to 150pm
  • the enclosure is in a reactive, oxidizing or nitriding atmosphere.
  • the gas used in the additive manufacturing chamber participates in the chemical reaction allowing the transformation of the pretreated metal powder into a dielectric.
  • the presence of oxygen makes it possible to obtain a majority oxide phase of the transformed pretreated metal powder (for example: Al2O3).
  • the presence of oxygen in the enclosure is typically obtained with an oxygen partial pressure greater than or equal to 5%, preferably greater than or equal to 10%. It can be air.
  • the presence of nitrogen makes it possible to obtain a majority nitride phase of the transformed pretreated metal powder (for example: AIN).
  • the presence of nitrogen in the enclosure can be ensured with air, knowing that by the consumption of oxygen, the partial pressure of nitrogen in the enclosure increases. It is possible to achieve a majority nitrogen atmosphere in the enclosure by flushing with nitrogen once the enclosure is closed and before manufacture.
  • the pieces formed are metal-ceramic parallelepipeds of square section, obtained by selective laser melting from an Al Si 12 alloy powder pretreated as described above.
  • the outer shell of the part is mostly metal and the core is mostly alumina.
  • the laser scanning strategies chosen consist of a central block to form the alumina core and three different strategies were used to form the metallic outline around the core to either:
  • the alumina core uses a 1cm 2 square pad
  • the metal outline uses a strategy either rectilinear (figure 5C corresponding to the left columns of figures 5A and 5B), or hexagonal (figure 5D corresponding to the central columns of figures 5A and 5B), or concentric (figure 5E corresponding to the right columns Figures 5A and 5B).
  • the partial pressure of oxygen in the enclosure is between 10 and 21% (oxidizing atmosphere).
  • the laser spot diameter is between 70 and 80 ⁇ m. Layering thickness is around 50pm.
  • the first duration (ti) of maintenance is equal to 0.7 seconds
  • the first energy density (Qi) is 11 kJ.mm 2 .
  • the power per unit area density is 15.6 kW.mm 2 .
  • the power of the laser does not vary, depending on whether one wishes to oxidize or densify without oxidizing.
  • the second duration (t 2 ) of maintenance is equal to 0.14 seconds
  • the second energy density (Q 2 ) is 2, 2 kJ.mm 2 .
  • the power per unit area density is 15.6 kW.mm 2 .
  • the parts formed are metal-ceramic cylinders obtained by selective laser melting from an A1SÎ12 alloy powder pretreated as described above.
  • the outer shell of the part is mostly metal and the core is mostly alumina.
  • the sweep strategy for the alumina core is a 1cm wide hexagonal checkerboard pattern.
  • the scanning strategy for the metal consists of concentric paths around the central alumina.
  • FIGS 6C and 6D illustrate in detail two different outer shell thicknesses.
  • the partial pressure of oxygen in the enclosure is between 10 and 21% (oxidizing atmosphere).
  • the laser spot diameter is between 70 and 80 ⁇ m. Layering thickness is around 50pm.
  • the first duration (ti) of maintenance is equal to 0.7 seconds
  • the first energy density (Qi) is 11 kJ.mm 2 .
  • the power per unit area density is 15.6 kW.mm 2 .
  • the second holding time (t2) is equal to 0.014 seconds
  • the second energy density ((3 ⁇ 4) is 0.22 kJ. mm 2.
  • the power per unit area density is 15.6 kW.mm 2 .
  • the absorbance of the pretreated metal powder is increased compared to a non-pretreated powder, at equal power, the transfer of electromagnetic energy from the laser into thermal energy in the powder is better, so the pretreated metal powder will heat up more.
  • the power of the laser is set equal to or below a power threshold from which ablation no longer exists; and once this threshold is found and the laser power is set, in a second step we adjust the other parameters depending on whether we want to transform the pretreated metal powder into a dielectric or only to densify the metal without transforming it.
  • the invention thus makes it possible, by simply adjusting the parameters of additive manufacturing, to create in 3D, at will and in selected regions, zones that are predominantly metallic or predominantly made of dielectric materials.
  • the additive manufacturing parameters are easily adjustable by programming the additive manufacturing device.
  • the method according to the invention thus makes it possible to produce multi-material parts in the direction of manufacture and in the production plan (3D multi-material parts), without having to change the powder during manufacture, and by using a device. of additive manufacturing by conventional powder bed fusion. This has a significant advantage in terms of costs, whether for the manufacture or preparation of the powder but also for the ease of implementation of the process.
  • the chemical pretreatment of the metal powder makes it possible to increase the absorbance of the powder, and thus to increase the efficiency of the energy transfer to the powder, so as to increase the temperature within the powder, without having to increase the power of the laser and thus without risking the ablation phenomenon.
  • a pretreated powder but without the appropriate laser application parameters (speed too high and / or spacing too high and / or unsuitable power)
  • the powder cannot be oxidized, but is kept in metallic form.
  • the temperature within the powder cannot be reached and the powder is not only not oxidized, but is also not densified (it remains in the form of a partially oxidized metal powder of the powder. preprocessing).
  • the invention indeed consists of a combination of the pretreatment with suitable laser application parameters which makes it possible to obtain a synergistic effect and to form a multi-material part (metal and dielectric material) in three dimensions.
  • A1SÎ12 alloy powder With an A1SÎ12 alloy powder, it is possible to obtain multi-material parts comprising metal parts and ceramic parts in predominantly narrow stoichiometric alumina with a few minority phases such as: non-stoichiometric alumina, aluminosilicates, metal residues. In addition, at the interface between metal and ceramic, a probably non-stoichiometric and less conductive layer of alumina can be formed.
  • metal parts may contain some dielectric inclusions and conversely dielectric parts may contain metal incursions. This is why we speak of a "predominantly metallic" phase with a few dielectric residual phases or a "predominantly” dielectric phase with a few metallic residues, or even residues of oxidized metal phases resulting from the pretreatment.
  • the dielectric part is preferably surrounded by a metal part which grips well on the plate and which plays the role barrier.
  • the dielectric material is formed on a majority metal part part.
  • Other metal powders used can be powders conventionally used in additive manufacturing, in powder bed melting techniques by laser, for example other aluminum-based alloys, powders of metals or metal alloys. other than aluminum, such as transition metals and poor metals, for example: alloys based on iron, cobalt or nickel, or metalloids such as silicon.
  • the metals located in the central and upper part of the Ellingham diagrams as described for example in the publication “Ellingham Diagram” by Masakatsu Hasegawa (Graduate School of Energy Science, Kyoto University), reproduced in FIGS. 7A and 7B, are particularly targeted. than alloys based on these metals.
  • Ellingham's diagrams make it possible to predict the equilibria between a metal and its oxides as a function of temperature and pressure, and to know the thermodynamically possible redox reactions between two species.
  • the invention applies in particular to:
  • metamaterials in particular metamaterials comprising dielectric / ceramic inclusions distributed periodically in a metal matrix or metal inclusions distributed periodically in a dielectric / ceramic matrix.

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Abstract

L'invention concerne un procédé de fabrication d'une pièce multi-matériaux par fabrication additive, comprenant les étapes suivantes : a) une étape de fourniture d'une poudre métallique prétraitée comprenant des grains et une couche oxydée et poreuse en surface desdits grains; b) une étape de fusion sélective de lit de poudre par laser comprenant la mise en œuvre des étapes i) et ii) suivantes : i) une étape de formation d'une couche à partir de la poudre métallique prétraitée; ii) une étape de fusion par laser de ladite couche, réalisée sous atmosphère réactive et comprenant l'adaptation de paramètres d'application du laser pour transformer au moins une première zone de ladite couche de manière à en abaisser la conductivité électrique, formant ainsi un diélectrique, et pour densifier au moins une seconde zone de ladite couche sans la transformer, la au moins une première zone étant formée lorsque les paramètres d'application du laser permettent d'appliquer une première densité d'énergie à ladite première zone et/ou de maintenir le faisceau laser pendant une première durée de maintien sur ladite première zone, la au moins une seconde zone étant formée lorsque les paramètres d'application du laser permettent d'appliquer une seconde densité d'énergie à ladite seconde zone et/ou de maintenir le faisceau laser pendant une seconde durée de maintien sur ladite seconde zone, et la première densité d'énergie étant supérieure à la seconde densité d'énergie et/ou la première durée de maintien étant supérieure à la seconde durée de maintien. L'invention concerne également une pièce obtenue par ledit procédé.

Description

Description
Titre de l'invention: Procédé de fabrication d’une pièce multi -matériaux par fabrication additive, selon la technique de fusion sélective ou de frittage sélectif de lit de poudre par laser
Domaine technique de l’invention
La présente invention se situe dans le domaine de la fabrication additive par la technique de fusion de lit de poudre par laser (LPBF pour « Laser Power Bed Fusion » en anglais), et plus précisément la fusion sélective de lit de poudre par laser (SLM pour « Sélective Laser Melting » en anglais) ou le frittage sélectif de lit de poudre par laser (SLS pour « Sélective Laser Sintering »), de manière à obtenir des pièces multi-matériaux. Dans la suite de la présente description, la fusion sélective pourra désigner autant la fusion que le frittage.
L'invention concerne un procédé de fabrication d'une pièce multi-matériaux par la technique de fusion sélective par laser, et une pièce multi-matériaux produite par ce procédé.
La problématique générale est de fabriquer des pièces multi-matériaux aux formes complexes, comprenant des parties métalliques et des parties en diélectrique dans le plan de fabrication et dans la direction de fabrication, ce qu’on désigne par pièces multi-matériaux « 3D ».
Le diélectrique désigne une substance de conductivité faible dans laquelle peut apparaître une forte polarisation électrique en présence d'un champ électrique. Un exemple de diélectrique visé par l’invention est une céramique oxyde (oxyde métallique) ou une céramique non oxyde telle une céramique nitrure (nitrure métallique) ou un oxyde de silicium (SiOx).
Certaines des pièces multi-matériaux 3D recherchées peuvent être constituées par des motifs périodiques en diélectrique inclus dans une matrice métallique ou inversement par des motifs périodiques en métal dans une matrice diélectrique. L’organisation périodique du diélectrique ou du métal peut générer en effet un métamatériau doté de propriétés originales. On entend par métamatériau un matériau composite artificiel qui présente des propriétés optiques, magnéto- optiques, acoustiques ou électromagnétiques qu'on ne retrouve pas dans un matériau naturel.
L’invention peut notamment trouver des applications dans la réalisation de pièces multi-matériaux pour des dispositifs électroniques, par exemple des dispositifs hyperfréquence passifs comme des filtres à résonateurs diélectriques ou des transitions 3D pour front-end hyperfréquence intégrés pour des antennes actives, pour des dispositifs métalliques comportant une protection thermique ou mécanique par un diélectrique, dispositifs métalliques dont les propriétés optiques sont modifiées par un diélectrique, et/ou de métamatériaux.
Etat de la technique
Les pièces multi-matériaux 3D recherchées comprennent des parties en métal et d’autres parties en diélectrique (typiquement une céramique oxyde métallique ou nitrure métallique) dans le plan de fabrication (XY) et dans la direction de fabrication (ZX ou ZY), comme cela est illustré en figures 1 A et IB dans lesquelles on voit des parties en diélectrique D dans une matrice métallique M (figure 1 A) ou des parties en métal M dans une matrice diélectrique D (figure IB).
Il est connu des solutions pour la fabrication additive multi-matériaux. Le terme de fabrication additive désigne selon la norme NF E 67-001, « l’ensemble des procédés permettant de fabriquer couche par couche par ajout de matière un objet physique à partir d’un objet numérique ». Ce terme regroupe des dizaines d’appellations de technologies de fabrication, classées en sept catégories de procédés selon la norme NF ASTM 52900.
La fabrication additive par jet de liant (« Binder Jetting » en anglais) est un procédé dans lequel un lit de poudre est étalé puis une buse projette un liant liquide pour solidifier une section de la pièce dans le plan de fabrication (XY). Il est nécessaire d’enlever le liant et de densifier la pièce par traitement thermique conventionnel. Il possible d’utiliser tout type de poudre (polymère, métal, céramique) ou mélange de poudres pour fabriquer des pièces multi-matériaux sous forme composite. Cependant, cette technique nécessite une étape supplémentaire, un contrôle du retrait du liant qui peut s’avérer critique lorsqu’il est important de respecter des dimensions de pièces, comme pour former des fonctions passives hyperfréquences. En outre cette technique ne permet pas, ou très difficilement, de former des matériaux différents dans un même plan (plan de fabrication XY).
La fabrication additive par jet de matière/encre (« Material Jetting » en anglais) est un procédé dans lequel une tête d’impression mobile selon les trois axes projette un polymère photosensible, qui joue le rôle d’une encre, qui est ensuite polymérisé par un rayonnement UV. Les polymères peuvent être chargés en particules d’intérêt (céramique, métal). Certains systèmes comprennent des têtes d’impression multicanaux permettant de projeter sélectivement différents polymères (qui peuvent être chargés avec des particules différentes). La photo-polymérisation produite par le rayonnement UV permet d’avoir une pièce multi-matériaux à matrice polymère contenant des parties chargées en céramique ou en métal dans les trois dimensions.
La fabrication additive par photopolymérisation en bac (« Vat Photopolymerization » en anglais) est un procédé dans lequel un polymère photosensible liquide est contenu dans un bac possédant au fond une fenêtre transparente au rayonnement UV : une source d’énergie (par exemple un Laser) polymérisé sélectivement la résine liquide dans le plan de fabrication par cette fenêtre. Une plateforme (support de fabrication) mobile dans la direction de fabrication monte d’une épaisseur contrôlée permettant à la résine liquide de remplir l’interstice entre la précédente couche polymérisée et la fenêtre transparente. Une nouvelle itération se produit, et ainsi de suite de manière à obtenir la pièce recherchée. Les résines peuvent être chargées en particules d’intérêt (métal ou céramique) de manière à former un mono-matériau ou un composite. Cette technique nécessite de disposer de dispositifs adaptés, permettant de changer le bain de résine en cours de fabrication, de manière à obtenir réellement une pièce multi-matériaux dans les trois directions et pas seulement un composite.
La fabrication additive par extrusion de matière (« Material Extrusion » en anglais) est un procédé dans lequel une tête d’impression mobile selon les trois axes extrude un filament à matrice polymère en continu de manière à fabriquer une pièce. Des têtes d’impressions multi-filaments, dont les filaments à matrice polymère peuvent être chargés en particules d’intérêt (métal ou céramique), permettent de fabriquer des pièces multi-matériaux.
Ces trois dernières techniques de fabrication additive utilisent des polymères chargés en particules, ce qui induit les inconvénients suivantes :
- la tenue en température est limitée suivant le type de polymères, ce qui peut induire des problèmes de dimensions de pièces et/ou de parties de pièces non respectées, notamment si le polymère est retiré, ou de caractéristiques hyperfréquences insuffisantes;
- les pertes diélectriques en hyperfréquence notamment sont plus élevées sur les polymères que sur les céramiques, notamment si le polymère est maintenu ;
- la présence de polymère peut également induire de la pollution, le polymère ayant tendance à capter des particules puis à les relarguer.
La fabrication additive par dépôt d’énergie dirigée est un procédé dans lequel une tête mobile selon les trois directions projette de la poudre métallique qui est simultanément fondue sous faisceau laser (LENS pour « Laser Engineered Net Shaping » en anglais) ou d’électron (EBAM pour « Electron Beam Additive Manufacturing » en anglais) permettant l’obtention d’une pièce. Cependant, s’il semble possible d’empiler des couches de différents matériaux (empilements métal-métal et métal- céramique) à partir de la technologie LENS, d’une part la résolution des pièces est mauvaise pour des applications hyperfréquences et d’autre part, il ne s’agit que d’empilements de différents matériaux (donc dans la direction de fabrication) et cette technique ne permet pas de réaliser des matériaux différents dans un même plan (plan de fabrication) de manière simple et de respecter des contraintes dimensionnelles précises.
La fabrication additive par fusion de lit de poudre (« Power Bed Fusion » en anglais) est un procédé dans lequel une couche de poudre d’épaisseur contrôlée est étalée sur un plateau de fabrication. Cette poudre peut être un polymère, un métal, une céramique ou encore un mélange composite. Une source d’énergie (laser ou faisceau d’électrons) permet la fusion sélective ou le frittage sélectif de la poudre dans le plan de fabrication. Une autre couche de poudre est étalée sur la couche précédente puis l’itération de fabrication se poursuit de manière à former une pièce. Parmi cette famille de techniques, on peut citer les techniques décrites ci-après.
Il est à noter que le terme « sélectif » signifie dans des zones définies. En d’autres termes, les techniques de fusion sélective ou de frittage sélectif de lit de poudre permettent de faire fondre ou fritter la poudre en des zones particulières.
Pour le procédé dit MJF (« Multi Jet Fusion » en anglais), le matériau d’intérêt est mélangé à un polymère, avec l’inconvénient qui a déjà été décrit précédemment quant aux techniques de fabrication additive utilisant des polymères chargés en particules d’intérêt.
Pour le procédé de frittage sélectif par laser dit SLS (« Sélective Laser Sintering » en anglais) dit « indirect » ou pour le procédé de fusion sélective par laser dit SLM (« Sélective Laser Melting » en anglais) dit « indirect », des matériaux d’intérêt comme les métaux et les céramiques à température de fusion élevée sont enrobés ou mélangés à des polymères, puis traités dans la machine SLS ou SLM. Sous l'effet du laser, ces polymères fondent et lient ensemble les matériaux métalliques ou céramiques, et les matériaux sont frittés à haute température après évaporation du polymère. Ainsi, on retrouve l’inconvénient qui a déjà été décrit précédemment quant aux techniques de fabrication additive utilisant des polymères chargés en particules d’intérêt. En outre, cela permet de réaliser des multi -matériaux composites mais pas des pièces avec des parties en métal et des parties en céramique ou plus largement en diélectrique, et ce en 3D, comme recherché par la présente invention. Pour le procédé EBM (« Electron Beam Melting » en anglais), seul un conducteur (métal) peut être utilisé, ce qui ne permet pas de réaliser des pièces comprenant des parties en métal et des parties en céramique (typiquement oxyde ou nitrure métallique associé).
Pour le procédé SLM (« Sélective Laser Melting » en anglais), des poudres métalliques, céramiques ou cermet (mélange céramique-métal) peuvent être utilisées de manière à fabriquer des pièces multi -matériaux en 3D c'est-à-dire comprenant des parties en métal et d’autres parties en céramique dans le plan de fabrication et dans la direction de fabrication. Mais cela nécessite généralement d’utiliser un dispositif expérimental adapté ou de changer la poudre en cours de fabrication, ce qui complexifie dans les deux cas le procédé. En outre, s’il semble possible, dans ces conditions, d’empiler des couches de matériaux différents selon la direction de fabrication (changement des poudres en cours de fabrication, par exemple une poudre de céramique remplace la poudre métallique ou inversement), cela induit des risques de pollution d’une poudre par une autre. Enfin, les techniques SLM connues ne permettent pas d’obtenir deux matériaux différents dans le plan de fabrication.
Ainsi, soit les techniques connues citées ne permettent pas de fabriquer des pièces multi-matériaux, avec des matériaux différents dans le plan de fabrication, soit elles soulèvent d’autres difficultés qui rendent compliquée voire impossible la réalisation de pièces dans les applications hyperfréquence notamment visées par l’invention.
L’invention vise à surmonter les inconvénients précités de l’art antérieur.
Plus précisément, l’invention vise à disposer d’un procédé de fabrication de pièces multi-matériaux et en particulier des pièces multi-matériaux aux formes complexes, comprenant des parties en métal et des parties en diélectrique (typiquement céramique oxyde métallique ou céramique nitrure métallique) dans le plan de fabrication et dans la direction de fabrication.
En particulier, l’invention vise à fabriquer des pièces multi-matériaux avec des parties métalliques et diélectriques distinctes dans les trois directions de l’espace agencées de manière périodique ou non, et ce, sans limite de facteur de forme et avec une précision en rapport avec les domaines visés, par exemple avec les besoins hyperfréquences (soit typiquement inférieure ou égal à 100 pm, en fonction de la taille du faisceau laser, de la diffusion de la chaleur autour du faisceau laser et aussi de la bande de fréquence visée).
De manière avantageuse, l’invention vise à disposer d’un procédé de fabrication dans lequel il n’est pas nécessaire de changer de poudre en cours de fabrication.
De manière avantageuse, l’invention vise à disposer d’un procédé de fabrication qui permette d’utiliser un dispositif classique de fusion sélective par laser, c'est-à-dire qui ne nécessite pas d’adapter de manière importante ce dernier.
Exposé de l’invention
Un objet de l’invention permettant de remédier à ces inconvénients est un procédé de fabrication d’une pièce multi-matériaux par fabrication additive, ledit procédé comprenant les étapes suivantes : a) une étape de fourniture d’une poudre métallique prétraitée comprenant des grains et une couche oxydée et poreuse en surface desdits grains ; b) une étape de fusion sélective de lit de poudre par laser comprenant la mise en œuvre des étapes i) et ii) suivantes : i) une étape de formation d’une couche à partir de la poudre métallique prétraitée ; ii) une étape de fusion par laser de tout ou partie de ladite couche de poudre métallique prétraitée, ladite étape de fusion étant réalisée sous atmosphère réactive et ladite étape de fusion comprenant l’adaptation de paramètres d’application du laser pour transformer au moins une première zone de ladite couche de poudre métallique prétraitée de manière à en abaisser la conductivité électrique, formant ainsi un diélectrique, et pour densifier au moins une seconde zone de ladite couche de poudre métallique prétraitée sans la transformer, la au moins une première zone étant formée lorsque les paramètres d’application du laser permettent d’appliquer une première densité d’énergie à ladite première zone et/ou de maintenir le faisceau laser pendant une première durée de maintien sur ladite première zone, la au moins une seconde zone étant formée lorsque les paramètres d’application du laser permettent d’appliquer une seconde densité d’énergie à ladite seconde zone et/ou de maintenir le faisceau laser pendant une seconde durée de maintien sur ladite seconde zone, et la première densité d’énergie étant supérieure à la seconde densité d’énergie et/ou la première durée de maintien étant supérieure à la seconde durée de maintien.
Le procédé est ainsi réalisé selon la technique de fusion sélective ou frittage sélectif de lit de poudre par laser.
La couche de poudre métallique prétraitée peut comprendre une ou des zones non soumises au laser, comme c’est généralement le cas pour réaliser des pièces par fabrication additive selon une technique de fusion de lit de poudre.
La formation d’une couche de poudre métallique prétraitée est réalisée par le dépôt de poudre métallique prétraitée, typiquement sur un support ou sur une couche précédemment formée. L’épaisseur de la couche formée peut varier d’une couche à une autre.
Pour au moins une couche, on obtient un matériau avec une première zone majoritairement diélectrique et une seconde zone majoritairement métallique.
Le procédé peut comprendre une pluralité de successions d’étapes i) et ii).
Le procédé peut aussi comprendre pour au moins une couche de poudre, une étape alternative à l’étape ii) dans laquelle il est formé seulement au moins une première zone majoritairement diélectrique.
Le procédé peut aussi comprendre pour au moins une couche de poudre, une étape alternative à l’étape ii) dans laquelle il est formé seulement au moins une seconde zone majoritairement métallique.
La solution est d’utiliser une poudre métallique prétraitée, généralement un prétraitement chimique à l’aide d’un réactif oxydant (réaction d’oxy do-réduction). La poudre peut être fournie déjà prétraitée, ou être prétraitée pendant le procédé.
Le prétraitement de la poudre doit être adapté pour remplacer toute couche compacte de passivation du métal par une couche oxydée (état de valence du métal supérieur à zéro) et poreuse. Cette couche oxydée et poreuse permet de faciliter la modification ultérieure du métal en diélectrique au cœur des grains de la poudre lors de la fabrication additive, en fonction des motifs recherchés. La modification de la surface des grains permet d’accroître l’absorbance optique et donc de faciliter la transformation en diélectrique.
Un exemple de diélectrique visé par l’invention est une céramique oxyde (oxyde métallique) ou une céramique non oxyde telle une céramique nitrure (nitrure métallique), associé au métal ou à un métal de l’alliage de la poudre métallique. Un autre exemple est un oxyde de silicium (SiOx).
Comme toute poudre de fabrication additive, cette poudre prétraitée peut être ensuite mise en place dans un réservoir d’alimentation en poudre d’une machine de fabrication additive par fusion laser de lit de poudre.
Ce prétraitement, combiné avec des paramètres d’application laser adaptés, permet de transformer et fondre la poudre métallique prétraitée en diélectrique ou différemment de fondre la poudre métallique pour la densifier sans la transformer, et ce, dans le plan de fabrication (sur une couche de poudre) et selon la direction de fabrication (selon les différentes couches). Les paramètres d’application laser sont en effet adaptés soit pour porter et maintenir de la poudre à une température et pendant une durée suffisantes pour former un diélectrique, soit pour porter de la poudre à une température plus adaptée, et surtout pendant une durée moindre afin de conserver le métal majoritaire, sans la transformer tout en provoquant sa densification. Les paramètres sont donc adaptés en fonction des zones qu’on souhaite majoritairement transformer en diélectrique, ou majoritairement densifier sous forme métallique.
Les termes « densification » et « densifier » sont connus de l’homme du métier dans le domaine de la métallurgie des poudres. Ils désignent l’augmentation de la masse volumique d'un matériau, généralement par frittage ou par fusion. La densification d’une poudre revient à agglomérer les grains entre eux de manière à former un matériau dont la porosité est diminuée voire annulée. Le terme « dense » désigne un matériau à faible porosité voire sans porosité.
L’invention consiste donc à ajuster la réactivité d’une poudre métallique par un prétraitement préalable visant à créer une couche poreuse oxydée en sa surface, afin qu’elle puisse ensuite, lors de l’étape de fusion sélective de la poudre, être transformée en diélectrique ou seulement densifiée à l’état métallique selon des zones prédéterminées. La géométrie et le positionnement relatif des zones à prédominante diélectrique et des zones à prédominance métallique peuvent être fixées par la programmation d’un dispositif de fabrication additive conventionnel. L’invention permet donc de régler la sélectivité de la poudre métallique autant dans le plan de fabrication que dans la direction de fabrication, avec des facteurs de forme en rapport avec une technique LPBF.
C’est un avantage important de l’invention par rapport aux solutions de l’art antérieur car elle permet la réalisation de pièces multi-matériaux sans limitation des facteurs de forme que ce soit pour le métal ou le diélectrique, et ce, en limitant les risques d’erreurs dimensionnelles.
Un autre avantage du procédé est sa simplicité.
En particulier, le procédé de l’invention permet de n’utiliser qu’une seule poudre, qui est une poudre métallique, contrairement à des procédés de l’état de la technique qui nécessitent de disposer de plusieurs poudres pour réaliser des pièces multi-matériaux. Il permet donc de s’affranchir de la mise en œuvre successive de deux poudres (une poudre métallique et une poudre de matériau diélectrique, notamment céramique), qui a pour inconvénient de complexifier le procédé et le dispositif, et en outre de risquer de créer de la pollution d’un matériau par un autre.
De ce fait, l’invention ne nécessite pas d’adapter le dispositif de fabrication additive (en ajoutant par exemple un système de buses ou un système d’aspiration/dépôt de poudre pour réduire la pollution d’une poudre par une autre, systèmes qui sont généralement difficiles à adapter pour un dispositif de fusion laser de lit poudre). Il permet ainsi d’utiliser un dispositif conventionnel de fabrication additive par fusion de lit poudre.
Par définition, une poudre métallique est un métal ou un alliage à l'état finement divisé, comprenant une pluralité de grains. Les poudres standards utilisées pour la fabrication additive par fusion de lit de poudre ont des grains dont la granulométrie varie typiquement de quelques micromètres à quelques dizaines de micromètres.
Selon l’invention, la poudre métallique mise en œuvre est une poudre de métal ou une poudre d’alliage métallique et est adaptée pour la fabrication additive par fusion de lit de poudre.
Selon l’invention, « poudre métallique oxydée en surface » signifie que les grains de la poudre sont oxydés en surface, ou du moins qu’une majeure partie des grains sont oxydés en surface. Les grains ne sont ainsi pas oxydés dans tout leur volume, et doivent conserver majoritairement un volume métallique au cœur des grains. En outre, la couche oxydée est poreuse et remplace la couche de passivation des grains.
Typiquement, cela se traduit par exemple par la formation d’une couche oxydée poreuse, par exemple une couche d’oxyde métallique, d’hydroxyde métallique ou d’oxyhydroxyde métallique (si traitement chimique par une base) ou encore une couche de sel métallique (si traitement chimique par un acide) en surface des grains de la poudre métallique. Par simplification, dans la suite de la description, on pourra utiliser le terme «couche oxydée » pour désigner une telle couche oxydée et poreuse en surface.
Lorsqu’on utilise un réactif oxydant, il se produit une réaction d’oxy do-réduction avec le métal : le réactif oxyde le métal et le métal réduit le réactif. Le métal perd donc des électrons et forme un nouveau composé oxydé en surface des grains (de type sel métallique si réactif acide ou de type oxyde si réactif basique). L’attaque chimique modifie l’état de surface des grains métalliques en générant une couche poreuse.
De préférence, l’épaisseur de la couche oxydée et poreuse formée en surface des grains est supérieure ou égale à 0,02 pm. De préférence, l’épaisseur de la couche oxydée et poreuse formée en surface des grains est inférieure ou égale à 5 pm.
Selon un mode de réalisation, le procédé comprend, préalablement à l’étape de fourniture, une étape de prétraitement d’une poudre métallique de manière à former une couche oxydée et poreuse en surface des grains.
Selon un mode de réalisation, l’étape de prétraitement comprend la mise en contact de la poudre métallique avec un réactif oxydant pour réaliser une réaction d’oxy do-réduction de ladite poudre métallique, le réactif oxydant étant de préférence un acide fort ou une base forte, par exemple un acide halogéné ou un hydroxyde alcalin. De préférence, la mise en contact du réactif est réalisée autour de tous les grains. Le réactif est généralement sous forme d’une solution plus ou moins concentrée en élément actif. La solution peut imprégner la poudre ou être pulvérisée sur les grains.
Selon un mode de réalisation particulier, l’étape de prétraitement comprend la mise en contact de la poudre métallique avec un acide fort, de préférence un acide halogéné, par exemple l'acide chlorhydrique ou l’acide fluorhydrique.
Selon un autre mode de réalisation particulier, l’étape de prétraitement comprend la mise en contact de la poudre métallique avec une base forte, de préférence un hydroxyde alcalin, par exemple un hydroxyde de sodium ou un hydroxyde de potassium.
Selon un mode de réalisation alternatif, l’étape de prétraitement comprend la mise en contact de la poudre métallique avec de l’eau à une température supérieure ou égale à 80°C.
Selon un mode de réalisation, l’étape de prétraitement comprenant, ultérieurement à la réaction d’oxy do-réduction, au moins une parmi les étapes suivantes : une étape de séchage, une étape de broyage, une étape de tamisage.
D’autres techniques peuvent être mises en œuvre pour forme une couche oxydée et poreuse en surface des grains. Parmi elles, on peut citer un traitement plasma sous oxygène, un dépôt CVD (« Chemical Vapor Déposition »), une attaque par vapeur d’acide ou encore un traitement thermique approprié.
Ensuite, c'est-à-dire après l’étape de fourniture de la poudre prétraitée, il s’agit de transformer au moins une première zone de la poudre métallique prétraitée en diélectrique, et de densifier au moins une seconde zone de la poudre métallique prétraitée sous forme métallique sans la transformer.
Pour transformer la poudre métallique prétraitée en diélectrique lors de l’étape de fusion sélective de lit de poudre par laser, il faut produire une réaction chimique entre un gaz et la poudre métallique, à haute température pendant une certaine durée. Par exemple, le diélectrique peut être une céramique obtenue par une transformation chimique de la poudre métallique prétraitée, typiquement une oxydation, ou une nitruration.
Pour oxyder ainsi un métal, la cinétique d’oxydation de Wagner enseigne que la masse d’oxyde transformée à partir du métal et de l’oxygène de l’air dépend de :
- la surface de contact entre le gaz et le métal ;
- la température ;
- la durée de maintien en température ;
- la pression partielle en oxygène dans l’enceinte.
Par haute température, on entend une température supérieure ou égale à la température de fusion du métal ou de l’alliage métallique.
Cette cinétique donnée pour l’oxydation peut être généralisée pour la nitruration.
La température de la poudre métallique et le maintien en température sont liés à la densité d’énergie transmise à ladite poudre métallique.
La densité d’énergie, exprimée par unité de surface (en kJ/mm2), est définie par le produit de l’énergie transmise par la puissance du faisceau laser et de la durée de maintien du faisceau laser sur ladite unité de surface. Pour une zone donnée, l’énergie reçue est alors le produit de la densité d’énergie et de la surface de la zone sur laquelle le faisceau laser est maintenu.
Pour une puissance de laser donnée, la densité d’énergie est directement liée à la durée de maintien du laser sur une unité de surface (qui est logiquement liée à la durée de maintien en température).
Selon l’invention, certains paramètres d’application du laser sur la couche de poudre métallique prétraitée sont adaptés selon qu’il est recherché la formation d’un matériau diélectrique ou la densification du métal en une zone donnée de la couche. D’autres paramètres d’application du laser peuvent être maintenus constants selon qu’il est recherché la formation d’un matériau diélectrique ou la densification du métal.
En outre, d’autres paramètres de fabrication additive - qui ne sont pas des paramètres d’application du laser - sont généralement définis (épaisseur de mise en couche, atmosphère dans l’enceinte du dispositif de fabrication additive ...), bien que ces paramètres demeurent généralement constants selon qu’il est recherché la formation d’un matériau diélectrique ou la densification du métal.
Ainsi, des paramètres d’application du laser peuvent être adaptés selon les zones de manière à soumettre :
- une première densité d’énergie, c'est-à-dire un faisceau laser à une première puissance pendant une première durée de maintien à au moins une première zone de la couche de manière à transformer ladite première zone en matériau diélectrique ; et/ou
- une seconde densité d’énergie, c'est-à-dire un faisceau laser à une seconde puissance pendant une seconde durée de maintien à au moins une seconde zone de la couche de manière à densifier ladite seconde zone sans la transformer ; la première durée de maintien étant supérieure à la seconde durée de maintien ou/la première densité d’énergie étant supérieure à la seconde densité d’énergie.
Typiquement, la première durée de maintien est au moins cinq fois supérieure à la seconde durée de maintien, de préférence au moins dix fois.
Par exemple, la première durée de maintien est de l’ordre de la seconde, c'est-à-dire quelques secondes voire un peu moins d’une seconde, et la seconde durée de maintien est de l’ordre du dixième de seconde, c'est-à-dire quelques dixièmes de seconde, voire un peu moins d’un dixième de seconde, et inférieure à une seconde.
Selon un mode de réalisation particulier, la première densité d’énergie est comprise entre 6 et 30 kJ mm 2 et/ou la seconde densité d’énergie est comprise entre 0,2 et 5 kJ mm 2.
De préférence, les paramètres d’application du laser permettant de faire varier la durée de maintien du faisceau laser et donc la densité d’énergie soumise à une zone de la couche de poudre sont choisis parmi : la vitesse de déplacement du laser, l’écartement entre deux positions successives du laser, la puissance du laser et la distance parcourue par le laser pendant un déplacement (et éventuellement la surface balayée par le laser). Ces paramètres peuvent agir sur la cinétique de transformation de la poudre métallique prétraitée et sont très aisément programmables.
Il est à noter que la distance parcourue par le laser n’est pas forcément rectiligne, comme cela sera décrit plus après. La première puissance de laser peut être comprise entre 30 et 60 W, par exemple 50 W. La seconde puissance de laser peut être comprise entre 30 et 60 W, par exemple 50 W.
Selon un mode de réalisation, la première puissance du laser pour former la au moins une première zone est égale à la seconde puissance du laser pour former la au moins une seconde zone.
Selon un mode de réalisation, la première vitesse de déplacement pour former la au moins une première zone est comprise entre 10 et 1000 mm. s 1 et le premier écartement pour former la au moins une première zone est inférieur à 10 pm.
Selon un mode de réalisation particulier, la première vitesse de déplacement est comprise entre 100 et 1000 mm. s 1.
Selon un mode de réalisation, la seconde vitesse de déplacement pour former la au moins une seconde zone est comprise entre 30 et 5000 mm. s 1 et le second écartement pour former la au moins une seconde zone est compris entre 1 et 200 pm.
Selon un mode de réalisation particulier, la seconde vitesse de déplacement est comprise entre 100 et 1000 mm. s 1.
Selon un mode de réalisation, la première distance parcourue par le laser pour former la au moins une première zone est inférieure ou égale à 2 mm.
A titre secondaire, il est possible de faire varier d’autres paramètres du laser, comme le diamètre du faisceau laser. Le diamètre du faisceau laser est typiquement compris entre 40 et 100 pm, par exemple égal à 70 pm. Mais il est possible de l’agrandir en le défocalisant. A même puissance laser, cela permet de diminuer la densité d’énergie soumise par le faisceau laser.
Selon un mode de réalisation, l’étape de fusion est réalisée sous atmosphère oxydante.
Selon un autre mode de réalisation, l’étape de fusion est réalisée sous atmosphère nitrurante.
Un autre objet de l’invention est une pièce obtenue par le procédé et comprenant au moins une première partie comprenant majoritairement des premières zones diélectriques et au moins une seconde partie comprenant majoritairement des secondes zones métalliques dans le plan de fabrication et dans la direction de fabrication.
Selon un mode de réalisation, la première partie est répartie de manière périodique dans une matrice métallique ou la seconde partie est répartie de manière périodique dans une matrice diélectrique.
Selon un mode de réalisation, la pièce comprend un cœur métallique recouvert d’une barrière thermique en diélectrique.
Brève description des figures
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à l’aide de la description qui suit, donnée à titre illustratif et non limitatif, faite en regard des figures annexées parmi lesquelles
[Fig.lA] illustre une pièce multi-matériaux comprenant des parties en diélectrique dans une matrice métallique.
[Fig.lB] illustre une pièce multi-matériaux comprenant des parties métalliques dans une matrice diélectrique. [Fig.2] représente un dispositif de fabrication additive par fusion laser de lit de poudre (SLM).
[Fig.3] illustre quatre couches de poudre disposées l’une sur l’autre, indique l’épaisseur d’une couche et les paramètres d’application du laser.
[Fig.4] illustre des paramètres utilisés pour transformer la poudre métallique prétraitée en diélectrique ou la densifier sans la transformer.
[Fig.5A],
[Fig.5B],
[Fig.5C],
[Fig.5D] et
[Fig.5E] illustrent un premier exemple de pièces multi-matériaux obtenues par un premier exemple de procédé selon l’invention avec des variantes.
[Fig.6A],
[Fig.6B],
[Fig.6C] et
[Fig.6D] illustrent un second exemple de pièces multi-matériaux obtenues par un second exemple de procédé selon l’invention avec des variantes.
[Fig.7A] et
[Fig.7B] illustrent deux diagrammes d’Ellingham regroupant les courbes d’équilibre d’un métal et de ses oxydes pour plusieurs métaux.
Description détaillée de l’invention
Les figures 1 A et IB ont déjà été décrites et ne seront pas reprises ici.
L’invention concerne un procédé qui combine l’utilisation d’une poudre métallique prétraitée, c'est- à-dire avec une couche oxydée et poreuse en surface des grains de ladite poudre, et la fusion de ladite poudre prétraitée par la technique de fusion de lit poudre par laser, dont les paramètres sont adaptés pour fondre et transformer sélectivement le lit de poudre métallique prétraité en diélectrique majoritaire (typiquement céramique oxyde métallique ou céramique nitrure métallique) et/ou en métal majoritaire, sous atmosphère réactive (typiquement oxydante ou nitrurante).
Les paramètres de fabrication additive par la technique de fusion de lit poudre par laser comprennent des paramètres d’application du laser, mais aussi des paramètres de mise en couche de la poudre, le choix de l’atmosphère dans l’enceinte du dispositif de fabrication additive ...
Selon un mode de réalisation, le procédé comprend une étape de prétraitement d’une poudre métallique de manière à former une couche oxydée et poreuse en surface des grains.
Etape de prétraitement
Le but du prétraitement est de former en surface des grains de la poudre métallique une couche oxydée et poreuse. Cela permet de modifier la réactivité de la poudre avec le gaz contenu dans l’enceinte de l’étape de fabrication additive. L’épaisseur de la couche oxydée doit être suffisante pour modifier suffisamment l’absorbance de la poudre métallique. Elle ne doit cependant pas être trop importante afin de conserver majoritairement un volume métallique au cœur de chaque grain. En d’autres termes, le but du prétraitement est de modifier la surface des grains suffisamment pour rendre la poudre plus réactive avec le gaz contenu dans l’enceinte de fabrication additive en créant une couche oxydée poreuse autour des grains. Ceci a pour conséquence d’augmenter l’absorbance de la poudre pour la longueur d’onde du laser et donc de faciliter le transfert d’énergie vers la poudre tout en conservant la phase majoritaire métallique.
Les inventeurs ont déterminé qu’une épaisseur moyenne de surface oxydée et poreuse comprise entre 0,02 et 5 pm convenait, bien que cette plage ne soit pas limitative et qu’elle dépende notamment du métal ou de l’alliage constituant la poudre, de la granulométrie de ladite poudre, de la réactivité visée lors de l’étape de fabrication additive ...
Selon un mode de réalisation, le prétraitement est un prétraitement chimique, de préférence à l’aide d’un réactif oxydant, de manière à produire une réaction d’oxy do-réduction avec le métal. La réaction d’oxydo-réduction modifie l’état de surface des grains métalliques en générant une couche poreuse.
L’homme du métier sait que la réaction d’oxydoréduction dépend du pH (qui dépend lui-même de la concentration en réactif et de la constante de dissociation du réactif) et du potentiel de la solution contenant l’oxydant et le réducteur par rapport à l’électrode normale à hydrogène, selon le diagramme de Pourbaix. La réaction d’oxydoréduction peut donc être paramétrée en fonction du type de poudre métallique (réducteur), de l’oxydant choisi (par exemple base forte ou acide fort) qui conditionne la valeur du pH de la solution.
Après la réaction chimique entre la poudre et le réactif, le produit obtenu est généralement séché, broyé et/ou tamisé de manière à obtenir une poudre prétraitée homogène. Celle-ci peut être contrôlée pour vérifier l’homogénéité. Ces opérations sont connues de l’homme du métier, qui sait les adapter et les mettre en œuvre.
Exemples de réalisation de prétraitement chimique
Un exemple de réalisation est donné pour un alliage de type A1SÎ12 (aluminium très majoritaire). Les réactifs aptes à oxyder l’aluminium sont par exemple :
- des solutions aqueuses basiques d’hydroxyde alcalin concentrées (KOH, NaOH) pour donner un ion aluminate (AlO2 ) ou plus diluées pour donner G hydroxyde d’aluminium (Al(OH)3) ;
- les solutions aqueuses concentrées d’acide halogéné (HCl, HF) pour donner des sels d’aluminium tels que le fluorure d’aluminium (A1F6 3 ) ou du chlorure d’aluminium (AICI3).
Pour des raisons de sécurité et pour éviter de générer des pollutions indésirables, les bases sont préférées aux acides halogénés.
Il est également possible d’utiliser de l’eau à une température supérieure ou égale à 80°C.
Pour que la réaction chimique soit homogène autour de tous les grains de la poudre, le liquide du réactif doit avantageusement envelopper tous les grains de la poudre. Les inventeurs ont utilisé une méthode de calcul pour déterminer un volume minimal pour enrober tous les grains de poudre d’alliage A1SÎ12 à partir de sa densité apparente (comprise entre 0,96 g. cm 3 et 1,44 g. cm 3) et sa densité réelle (2,66 g. cm 3). On obtient un volume massique apparent (compris entre 0,69 cm3. g 1 et 1,04 cm3. g 1) et un volume massique réel (0,38 cm3. g 1). En calculant la différence entre les volumes massiques apparents et le volume massique réel, on obtient le volume massique interstitiel autour de la poudre compris entre 0,66 cm3. g 1 et 0,31 cm3. g 1. En prenant le cas de la poudre la moins compacte, on a donc un volume massique interstitiel minimal de 0,66 cm3. g 1. Pour des raisons pratiques de calcul, de marge d’erreur et de manipulation, on arrondit ce volume massique à 1cm3. g 1. Il faut donc 1 millilitre de réactif pour 1 gramme de poudre d’alliage A1SÎ12 pour s’assurer d’une bonne imprégnation de tous les grains dans le réactif. Une telle méthode et ce ratio calculé peuvent s’appliquer à d’autres poudres métalliques à prétraiter (c'est-à-dire autres que l’alliage A1SÎ12).
En outre, cette méthode n’est pas limitative et d’autres méthodes sont possibles, autant par calcul, que par des essais par exemple.
Une fois le volume minimal de réactif déterminé pour une masse de poudre donnée, il faut déterminer la concentration du réactif. La concentration du réactif influence notamment :
- la nature de la phase oxydée obtenue en périphérie des grains ;
- l’épaisseur de la couche oxydée ;
- la topographie et la porosité de surface des grains oxydés.
Un exemple de réalisation est donné avec une solution d’hydroxyde de sodium (NaOH) comme réactif oxydant.
Pour oxyder de manière optimale une poudre d’alliage Al Si 12, les inventeurs ont déterminé une plage de concentration en hydroxyde de sodium (NaOH) comprise entre 0,125 mol.L 1 et 5 mol.L 1 dans la solution. Cette plage de concentration est donnée à titre indicatif, pour l’hydroxyde de sodium comme réactif et une poudre d’alliage A1SÎ12. Cette plage n’est en rien limitative, car elle dépend notamment du métal ou de l’alliage constituant la poudre, du réactif utilisé, de l’épaisseur de couche oxydée visée, du type de phase visée ...
La poudre métallique à traiter est mélangée avec la solution de réactif oxydant. Selon un exemple de réalisation, la poudre d’alliage A1SÎ12 est versée dans un récipient adapté, par exemple un cri stalli soir, de préférence métallique, puis la solution de réactif est ajoutée. La réaction entre la poudre métallique et le réactif étant très exothermique, il faut verser progressivement le réactif pour éviter l’emballement de la réaction puis mélanger régulièrement pour éviter que le produit ne colle aux parois du cri stalli soir.
Lorsque la réaction entre la poudre d’alliage A1SÎ12 et la solution de réactif est terminée, on procède à un séchage pour enlever l’eau, par exemple en chauffant le produit de la réaction autour de 150°C jusqu’il n’y ait plus de vapeur générée.
La poudre obtenue doit généralement être broyée et tamisée de manière à obtenir une granulométrie adaptée pour la fabrication additive.
La poudre ainsi obtenue peut enfin être contrôlée, par exemple à l’aide de DRX et/ou FTIR. L’attaque de la soude sur l’alliage A1SÎ12 génère en surface des grains une couche oxydée et poreuse avec principalement des aluminosilicates et du carbonate de sodium en présence de soude très concentrée ou de G hydroxyde d’aluminium et du carbonate de sodium en présence de soude moins concentrée. Grâce à la structure poreuse de la couche oxydée, l’oxydation au cœur des grains est facilitée lors de la fabrication additive. Ces éléments oxydés poreux peuvent, avec des paramètres de fusion par laser adaptés, se transformer facilement en alumine stoechiométrique majoritaire et quelques phases minoritaires telles que : alumine non stœchiométrique, aluminosilicates, résidus de métal.
De manière générale, il est à noter que l’homme du métier saura choisir un réactif adapté pour oxyder une poudre métallique donnée, notamment en fonction du (des) produit(s) et/ou phase(s) d’oxydation souhaité(s).
En outre, l’homme du métier saura adapter la concentration en réactif dans la solution en fonction du réactif choisi et de la poudre métallique à oxyder en surface.
Une méthode mise en œuvre par les inventeurs est de procéder à des essais avec des concentrations différentes de réactif mis en contact avec des échantillons identiques de poudres métalliques, puis de déterminer les épaisseurs obtenues autour des grains, les natures des phases oxydées, les porosités et/ou les absorbances obtenues, en utilisant par exemple une ou plusieurs des techniques suivantes :
- la diffractométrie de rayons X (DRX) qui permet de déterminer et quantifier les phases cristallines ;
- la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (ou « FTIR » pour « Fourier Transform InfraRed spectroscopy » en anglais) qui permet d’identifier les bandes de vibration moléculaires sur les poudres traitées, et de déterminer l’absorbance pour un laser MIR (moyen infrarouge) ;
- la spectrophotométrie (UV, visible, ou proche infrarouge) permet d’évaluer l’absorbance de la poudre traitée pour un laser NIR (proche infrarouge) ;
- une technique de mesure de densité réelle de la poudre traitée, par exemple à l’aide d’un pycnomètre hélium qui permet de suivre l’évolution de la densité de la poudre en cours de traitement.
Cette méthode permet de déterminer les concentrations de réactif les plus adaptées.
Cette méthode est indiquée à titre illustratif mais ne doit pas être considérée comme limitative, le(s) réactif(s) et les concentrations adaptées peuvent également être déterminés par la littérature et/ou des calculs et/ou des bases de données ...
Etape de fusion sélective de lit de poudre par laser
La figure 2 montre un dispositif 100 de fabrication additive sur lit de poudre dit SLM, permettant d’implémenter l’étape de fusion sélective de lit de poudre par laser, comprenant un plateau support 102 sur lequel une ou plusieurs pièces 2 sont fabriquées selon le procédé de fusion sélective d’un lit de poudre 1 par laser. Le système 100 comprend un réservoir 104 apte à contenir une poudre et un diffuseur de poudre 106 qui permet de déposer une couche de poudre du réservoir vers le support 102 où sous l’effet de l’énergie transmise par un laser 110, la fusion de la poudre opère pour produire une couche de la ou des pièces à fabriquer. Le processus de dépôt puis fusion se répète couche par couche jusqu’à l’obtention de la ou des pièces finales. Le plateau 102 descend à chaque fois qu’une couche est formée et qu’une nouvelle couche de poudre doit être déposée. L’ensemble est disposé dans une enceinte 108 étanche aux gaz qui permet de maîtriser l’atmosphère en gaz souhaitée. Il n’est pas décrit plus en détail le procédé complet, et l’homme du métier pourra se reporter à la nombreuse littérature sur les procédés de fabrication additive par fusion laser de lit de poudre et les variantes de réalisation basées sur ce même principe.
Ainsi, la poudre métallique prétraitée est placée dans le réservoir 104 et le diffuseur de poudre 106 permet de déposer une couche de ladite poudre vers le support 102. De façon logique, la première couche est déposée sur le support, et les couches suivantes sont déposées l’une sur l’autre.
La pièce que l’on souhaite fabriquer comprend des parties diélectriques et métalliques, même pour une même couche de poudre, qui correspondent à des zones différentes de ladite couche. Selon les zones, des paramètres d’application du laser sont adaptés.
La figure 3 illustre quatre couches de poudre métallique prétraitée (11, 12, 13, 14) disposées l’une sur l’autre, et indique l’épaisseur d’une couche (Th) et des paramètres d’application du laser : la puissance laser (P), la vitesse de déplacement (v) du laser, l’écartement (d) entre deux déplacements. La figure 3 illustre également un pavé dans une stratégie de balayage en damier. Le pavé a une surface (S) et un côté qui correspond au déplacement (D) du laser dans la direction longitudinale qui est aussi un paramètre d’application du laser qui peut être varié.
Les techniques de fusion de lit de poudre par laser utilisent différentes stratégies de balayage du faisceau laser. Pour la plupart des stratégies de balayage du laser sur une couche donnée, le faisceau laser parcourt une certaine distance (D) selon une direction longitudinale dans un sens donné, puis est décalé transversalement à la direction longitudinale d’une valeur d’écartement (d) donnée, et repart dans la direction longitudinale dans l’autre sens et ainsi de suite de manière à balayer toute une surface (S) définie sur la couche de poudre. Dans la stratégie en damier couramment mise en œuvre, la couche de poudre est divisée en pavés et la distance (D) parcourue par le laser correspond à un côté du pavé. Le balayage d’un pavé se fait par des successions de déplacements longitudinaux et de décalages transversaux. Puis on passe au balayage d’un autre pavé jusqu’à balayer tout le damier. Il y a généralement des recoupements entre les pavés.
Les stratégies de balayage sont en général définies par programmation du dispositif.
Avec le procédé de l’invention, la surface d’un pavé est soit majoritairement métallique (généralement avec des résidus de phases oxydées) soit majoritairement diélectrique (généralement avec des résidus métalliques voire des phases minoritaires oxydées). La surface d’un pavé est définie en fonction des surfaces de phases majoritairement métalliques et/ou diélectrique souhaitées.
La puissance du laser est généralement un premier paramètre à régler. En effet, une puissance trop faible ne permet pas d’apporter suffisamment d’énergie pour élever la poudre à une température suffisante et la transformer et à l’inverse une puissance trop élevée génère de l’ablation, rendant la fabrication additive impossible.
Plus exactement, on règle la densité de puissance surfacique, qui est liée à la puissance du laser et au diamètre du faisceau laser. Le laser est de préférence focalisé de manière à conserver une meilleure résolution. Typiquement le diamètre du faisceau laser est compris entre 40 et 100 pm, par exemple 70 pm. On peut garder la même puissance de laser pour la densification du métal sans transformation, ou on peut modifier la puissance de laser.
Dans tous les cas (transformation de la poudre ou densification sans transformation), la vitesse de déplacement du laser ne doit pas être trop faible, pour éviter des creusements et/ou des déformations dans le lit de poudre. Et elle ne doit pas être trop élevée pour permettre de chauffer la poudre suffisamment. La vitesse de déplacement du laser est typiquement comprise entre 10 mm. s 1 et 5000 mm. s 1. La description qui suit donne des valeurs de vitesse particulièrement adaptées pour transformer une poudre métallique en un matériau diélectrique céramique (typiquement oxyde métallique ou nitrure métallique), ou pour densifier ladite poudre sans la transformer, et ce, en fonction d’autres paramètres d’application du laser.
Comme indiqué précédemment, pour transformer la poudre métallique prétraitée lors de l’étape de fusion sélective de lit de poudre par laser, il faut produire une réaction chimique entre un gaz et le métal, à haute température pendant une certaine durée.
Pour oxyder le métal, la cinétique d’oxydation de Wagner enseigne que la masse d’oxyde transformée à partir du métal et de l’oxygène de l’air dépend de :
- la surface de contact entre le gaz et le métal ;
- la température ;
- le temps de palier en température ;
- la pression partielle en oxygène dans l’enceinte.
Cette cinétique donnée pour l’oxydation peut être généralisée pour la nitruration.
Les paramètres utilisés pour transformer la poudre métallique prétraitée ou pour densifier la poudre métallique prétraitée sans la transformer sont illustrés en figure 4, en prenant exemple d’une pièce comprenant un cœur carré en matériau diélectrique et une périphérie métallique.
La température de la poudre étant liée à la densité de chaleur reçue, il faut donc, pour oxyder ou nitrurer une unité de surface de poudre donnée, appliquer le faisceau laser à la poudre métallique prétraitée avec un fort recouvrement inter-vecteur de manière à maintenir la surface de poudre à température élevée pour une durée suffisante (première durée de maintien ti), typiquement de l’ordre de la seconde, c'est-à-dire de quelques secondes, voire un peu moins d’une seconde. Des exemples de première durée de maintien f sont indiqués plus après.
Un recouvrement inter-vecteur désigne la distance entre les centres du faisceau laser de deux vecteurs de déplacement du laser consécutifs. Si cette distance de centre à centre est inférieure au diamètre du faisceau laser, il y a recouvrement.
Un fort recouvrement, suffisant pour transformer la poudre métallique en matériau diélectrique, est obtenu par une faible valeur d’écartement (première valeur d’écartement di). Des valeurs d’écartements inter-vecteurs typiques sont de l’ordre du pm, ce qui permet d’obtenir au moins 90% de recouvrement. Des exemples de première valeur d’écartement di sont donnés ci-après.
La vitesse de déplacement du faisceau laser, ou première vitesse de déplacement vi, combinée avec de faibles valeurs d’écartement, est adaptée pour transformer une unité de surface de poudre donnée en matériau diélectrique. Des exemples de première vitesse de déplacement vi sont donnés plus après. Comme la cinétique d’oxydation doit être relativement lente pour être efficace, le faisceau se déplace lentement et la puissance de laser peut être abaissée, ou n’est pas nécessairement augmentée.
Pour densifier la poudre métallique sans la transformer, le faisceau laser peut se déplacer à une vitesse (seconde vitesse de déplacement V2) équivalente à la première vitesse de déplacement vi, voire plus faible mais il faut un recouvrement inter-vecteur plus faible. Une faible valeur de recouvrement est obtenue par une forte valeur d’écartement (seconde valeur d’écartement d2). Des exemples de seconde vitesse de déplacement V2 et de seconds écartements d2 sont donnés plus après.
La seconde durée de maintien t2 en température est dans ce cas typiquement de l’ordre du dixième de seconde, c'est-à-dire quelques dixièmes de seconde, voire moins d’un dixième de seconde, et inférieure à une seconde. Des exemples de seconde durée de maintien t2 sont indiqués plus après.
Ainsi, les paramètres d’application du laser sont adaptés selon les zones de manière à soumettre :
- une première densité d’énergie Qi, c'est-à-dire un faisceau laser à une première puissance Pi pendant une première durée de maintien L à au moins une première zone d’une couche de poudre de manière à transformer ladite première partie en diélectrique ; et
- une seconde densité d’énergie Q2, c'est-à-dire un faisceau laser à une seconde puissance P2 pendant une seconde durée de maintien t2 à au moins une seconde zone de la couche de poudre de manière à densifier ladite seconde partie en métal sans la transformer ; la première durée de maintien L étant supérieure à la seconde durée de maintien t2 ou la première densité d’énergie Qi est supérieure à la seconde densité d’énergie Q2.
La première puissance de laser Pi peut être comprise entre 30 et 60 W. La seconde puissance P2 de laser peut être comprise entre 30 et 60 W. La première puissance de laser peut être égale à la seconde puissance de laser.
La première durée de maintien ti peut être comprise entre 0,7 et 2 secondes, de préférence entre 1 et 2 secondes.
La première densité d’énergie Qi peut être comprise entre 10 et 20 kJ.mm 2.
La seconde durée de maintien t2 peut être comprise entre 0,07 et 0,26 secondes, de préférence entre 0, 1 et 0,2 secondes.
La seconde densité d’énergie C peut être comprise entre 0,2 et 2 kJ.mm 2.
Comme indiqué précédemment, les paramètres d’application du laser permettant de faire varier la durée de maintien t du faisceau laser et donc la densité d’énergie Q soumise à une zone de la couche de poudre sont choisis parmi : la vitesse de déplacement v du laser, l’écartement d entre deux positions successives du laser, la puissance du laser P et la distance D parcourue par le laser pendant un déplacement (et éventuellement la surface S balayée par le laser). Ces paramètres peuvent agir sur la cinétique de transformation de la poudre métallique et sont très aisément programmables.
Les déplacements du faisceau laser sont généralement réalisés selon une direction que l’on nommera direction longitudinale. Ledit déplacement est généralement nommé « vecteur du laser » dont la longueur correspondant à la distance D. L’écartement d du faisceau laser correspond à un décalage entre deux déplacements longitudinaux du faisceau laser, dans le même plan et généralement transversalement à la direction longitudinale et est généralement nommé « écart entre deux vecteurs », ou écart « inter-vecteur »). Il est à noter que la distance parcourue par le laser n’est pas forcément rectiligne, notamment dans des déplacements concentriques du faisceau laser, comme cela sera décrit plus après.
On désigne par première vitesse de déplacement (vi), respectivement premier écartement (di), la vitesse de déplacement, respectivement G écartement, pour transformer une première partie de poudre en céramique. On désigne par seconde vitesse de déplacement (V2), respectivement second écartement (d2), la vitesse de déplacement, respectivement l’écartement, pour densifier une seconde partie de poudre en métal sans la transformer.
La première vitesse de déplacement vi peut être comprise entre 10 et 1000 mm. s 1, de préférence entre 50 et 1000 mm. s 1 encore plus préférentiellement entre 100 et 1000 mm. s 1.
Le premier écartement di est de préférence inférieur à 10 pm et peut être compris entre 1 et 10 pm.
Le premier écartement et la première vitesse de déplacement sont liés : plus la première vitesse de déplacement est élevée, plus le premier écartement doit être faible pour appliquer un temps de maintien en température suffisant, et inversement on peut choisir un premier écartement élevé si la première vitesse de déplacement est faible.
La seconde vitesse de déplacement peut être comprise entre 30 et 5000 mm. s 1, de préférence entre 100 et 2000 mm. s 1 encore plus préférentiellement entre 100 et 1000 mm. s 1 .
Le second écartement d2 peut être compris entre 1 et 200 pm, de préférence entre 10 et 200 pm, encore plus préférentiellement entre 20 et 100 pm, ou entre 50 et 100 pm.
Le second écartement et la seconde vitesse de déplacement sont liés : plus la seconde vitesse de déplacement est faible, plus le second écartement doit être élevé pour éviter d’appliquer un temps de maintien en température trop important, et inversement on peut choisir un second écartement faible si la seconde vitesse de déplacement est élevée.
La distance parcourue par le laser, liée à la stratégie de déplacement du faisceau laser, est un paramètre également utilisable. De préférence, la première distance parcourue par le laser pour former le matériau diélectrique est inférieure à 2 mm.
Les paramètres adaptés peuvent être déterminés préalablement en réalisant plusieurs échantillons identiques de poudre prétraitée, en faisant varier les paramètres d’application du laser sur les différents échantillons, les épaisseurs de poudre déposées, et/ou l’atmosphère dans l’enceinte, puis en caractérisant les pièces obtenues, qui sont nommées « matrices d’essai » et qui se présentent par exemple sous la forme de cubes identiques. Par exemple, en faisant varier les paramètres d’application du laser : la puissance du laser (P), la vitesse de déplacement (v) du laser, l’écartement (d) entre deux passages successifs du laser, voire la distance (D) du laser on obtient plusieurs cubes d’essais. Les cubes d’essais sont ensuite prélevés du support de fabrication et caractérisés pour déterminer quelle est la phase prédominante (métal ou diélectrique). Il est ainsi possible d’en déduire les paramètres qui conviennent pour former l’une ou l’autre des phases prédominantes, qui sont exprimées généralement sous forme de plages de paramètres. Ces paramètres déterminés peuvent ensuite être utilisés pour fabriquer directement la pièce souhaitée. L’épaisseur (Th) de couche de poudre métallique formée est supérieure ou égale au diamètre moyen des grains, typiquement supérieure ou égale à 30pm, de préférence supérieure ou égale à 50pm L’épaisseur de couche formée est en outre généralement inférieure ou égale à 200pm, de préférence inférieure ou égale à 150pm
L’enceinte est sous atmosphère réactive, oxydante ou nitrurante. Le gaz utilisé dans l’enceinte de fabrication additive participe à la réaction chimique permettant la transformation de la poudre de métal prétraitée en diélectrique.
La présence d’oxygène permet l’obtention d’une phase oxyde majoritaire de la poudre de métal prétraitée transformée (par exemple : AI2O3). La présence d’oxygène dans l’enceinte est typiquement obtenue avec une pression partielle en oxygène supérieure ou égale à 5%, de préférence supérieure ou égale à 10%. Cela peut être de l’air.
La présence d’azote permet l’obtention d’une phase nitrure majoritaire de la poudre de métal prétraitée transformée (par exemple : AIN). La présence d’azote dans l’enceinte peut être assurée avec de l’air, sachant que par la consommation d’oxygène, la pression partielle d’azote dans l’enceinte augmente. Il est possible de réaliser une atmosphère en azote majoritaire dans l’enceinte par un balayage en diazote une fois l’enceinte fermée et avant la fabrication.
Premier exemple de fusion sélective de lit de poudre par laser
Les trois pièces formées et les stratégies de balayages sont illustrées en figure 5A à 5E.
Les pièces formées sont des parallélépipèdes métal -céramique de section carrée, obtenus par fusion sélective par laser à partir d’une poudre d’alliage Al Si 12 prétraitée comme décrit précédemment. L'enveloppe externe de la pièce est majoritairement du métal et le cœur est majoritairement de l'alumine.
Les stratégies de balayage du laser choisies consistent en un pavé central pour former le cœur en alumine et trois stratégies différentes ont été utilisées former le contour métallique autour du cœur pour, soit :
- le cœur en alumine utilise un pavé carré de 1cm2 ;
- le contour métallique utilise une stratégie soit rectiligne (figure 5C correspondant aux colonnes de gauche des figures 5A et 5B), soit hexagonal (figure 5D correspondant aux colonnes centrales des figures 5A et 5B), soit concentrique (figure 5E correspondant aux colonnes de droite des figures 5A et 5B).
La pression partielle en oxygène dans l’enceinte est comprise entre 10 et 21% (atmosphère oxydante).
Le diamètre spot laser est compris entre 70 et 80 pm. L’épaisseur de mise en couche est de l’ordre de 50pm.
Pour transformer en oxyde la poudre d’alliage A1SÎ12 prétraitée en A1203 majoritaire, des essais concluants ont été réalisés avec les paramètres suivants :
- puissance du laser (Pi) de 60W ;
- vitesse de déplacement (vi) du laser de 1000 mm. s 1 ;
- écartement (di) de 1 pm pour un taux de recouvrement compris de 99%. Avec ces paramètres, pour une distance parcourue (D) par le laser de 1 cm, la première durée (ti) de maintien est égale à 0,7 secondes, et la première densité d’énergie (Qi) est de 11 kJ.mm 2. La densité surfacique de puissance est de 15,6 kW.mm 2.
Pour densifier la poudre d’alliage A1SÎ12 prétraitée sans oxydation, des essais concluants ont été réalisés avec les paramètres suivants :
- puissance du laser (P2) de 60W ;
- vitesse de déplacement (v2) du laser de 100 mm. s 1;
- écartement (d2) de 50 pm.
Dans ce premier exemple de réalisation, la puissance du laser ne varie pas, selon qu’on souhaite oxyder ou densifier sans oxyder.
Avec ces paramètres, pour une distance parcourue (D) par le laser de 1 cm, la seconde durée (t2) de maintien est égale à 0,14 secondes, et la seconde densité d’énergie (Q2) est de 2,2 kJ.mm 2. La densité surfacique de puissance est de 15,6 kW.mm 2.
Second exemple de fusion sélective de lit de poudre par laser
Les deux pièces formées et les stratégies de balayages sont illustrées en figures 6A à 6D.
Les pièces formées sont des cylindres métal-céramique obtenus par fusion sélective par laser à partir d’une poudre d’alliage A1SÎ12 prétraitée comme décrit précédemment. L'enveloppe externe de la pièce est majoritairement du métal et le cœur est majoritairement de l'alumine.
La stratégie de balayage pour le cœur en alumine est un damier à motifs hexagonaux de 1 cm d’envergure. La stratégie de balayage pour le métal consiste en des trajectoires concentriques autour de l’alumine centrale.
Les figures 6C et 6D illustrent en détail deux épaisseurs d’enveloppe extérieure différentes.
La pression partielle en oxygène dans l’enceinte est comprise entre 10 et 21% (atmosphère oxydante).
Le diamètre spot laser est compris entre 70 et 80 pm. L’épaisseur de mise en couche est de l’ordre de 50pm.
Pour transformer en oxyde la poudre d’alliage Al Si 12 prétraitée en A12C>3 majoritaire, et former le cœur en alumine majoritaire, les paramètres suivants ont été utilisés :
- puissance laser (Pi) de 60W,
- vitesse de déplacement (vi) du laser de 1000 mm. s 1
- écartement (di) égal à 1 pm.
Avec ces paramètres, pour une distance parcourue (D) par le laser de 1 cm, la première durée (ti) de maintien est égale à 0,7 secondes, et la première densité d’énergie (Qi) est de 11 kJ.mm 2. La densité surfacique de puissance est de 15,6 kW.mm 2.
Pour densifier la poudre d’alliage Al Si 12 prétraitée sans oxydation et former l’enveloppe externe en métal majoritaire, les paramètres suivants ont été utilisés :
- puissance laser (P2) de 60W - vitesse de déplacement (V2) du laser égale à 1000 mm. s 1
- écartement (d2) égal à 50 pm.
Avec ces paramètres, pour une distance parcourue (D) par le laser de 1 cm, la seconde durée (t2) de maintien est égale à 0,014 secondes, et la seconde densité d’énergie ((¾) est de 0,22 kJ.mm 2. La densité surfacique de puissance est de 15,6 kW.mm 2.
Pour tous les exemples et d’une manière générale pour le procédé selon l’invention, comme l’absorbance de la poudre métallique prétraitée est augmentée par rapport à une poudre non prétraitée, à puissance égale, le transfert d’énergie électromagnétique du laser en énergie thermique dans la poudre est meilleur, ainsi la poudre métallique prétraitée va chauffer plus. L’inconvénient est qu’on peut atteindre plus facilement des conditions d’ablation. De préférence, on règle dans une première étape la puissance du laser égale ou en dessous d’un seuil de puissance à partir duquel l’ablation n’existe plus ; et une fois ce seuil trouvé et la puissance du laser fixée, on règle dans une seconde étape les autres paramètres selon que l’on souhaite transformer la poudre métallique prétraitée en diélectrique ou seulement densifier le métal sans le transformer.
L’invention permet ainsi par simple réglage des paramètres de fabrication additive, de créer en 3D, à volonté et dans des régions choisies, des zones majoritairement métalliques ou majoritairement en matériaux diélectriques. Les paramètres de fabrication additive sont aisément ajustables par la programmation du dispositif de fabrication additive.
Le procédé selon l’invention permet ainsi de réaliser des pièces multi -matériaux dans la direction de fabrication et dans le plan de fabrication (pièces multi -matériaux 3D), sans avoir à changer de poudre en cours de fabrication, et en utilisant un dispositif de fabrication additive par fusion de lit poudre conventionnel. Ceci présente un avantage important en termes de coûts, que cela soit pour la fabrication ou l’élaboration de la poudre mais aussi pour la facilité de mise en œuvre du procédé.
Essais comparatifs avec ou sans prétraitement
Des essais comparatifs ont été réalisés sur des poudres métalliques non prétraitées. De manière à transformer une zone de la couche de poudre en une céramique (correspondant à l’oxyde métallique dans ces essais), ils ont utilisé les paramètres de vitesse du laser (500 mm/s voire 100 mm/s) et de pas (1 pm) les plus favorables pour soumettre à cette zone une température élevée (au moins supérieure ou égale à la température de fusion du métal ou de l’alliage métallique, par exemple au moins 700°C) pendant une durée suffisante (au moins une seconde voire au-delà) à une puissance laser de 75 W. Malheureusement, cela n’a pas suffi à oxyder, la température atteinte n’étant pas suffisante au sein de la poudre. Les inventeurs ont dû augmenter la puissance à 120 W pour atteindre une température suffisante. L’inconvénient est qu’à ce niveau de puissance, le phénomène d’ablation de la poudre se produit en même temps que l’oxydation, et prend le pas sur celle-ci. En outre, des vitesses faibles font que les temps de fabrication se rallongent.
Le prétraitement chimique de la poudre métallique permet d’augmenter l’absorbance de la poudre, et ainsi d’augmenter l’efficacité du transfert d’énergie vers la poudre, de manière à augmenter la température au sein de la poudre, sans avoir à augmenter la puissance du laser et ainsi sans risquer de subir le phénomène d’ablation. A l’inverse, avec une poudre prétraitée, mais sans les paramètres d’application du laser adaptés (vitesse trop élevée et/ou écartement trop élevé et/ou puissance inadaptée), la poudre ne peut être oxydée, mais est maintenue sous forme métallique. En outre, avec une puissance insuffisante, la température au sein de la poudre ne peut être atteinte et celle-ci n’est non seulement pas oxydée, mais n’est pas non plus densifiée (elle reste sous forme de poudre métallique partiellement oxydée du fait du prétraitement).
Ainsi, on comprend que l’invention consiste bien en une combinaison du prétraitement avec des paramètres d’application laser adaptés qui permet d’obtenir un effet de synergie et former une pièce multi -matériaux (métal et matériau diélectrique) dans les trois dimensions.
Produits obtenus (pièces multi-matériaux)
Avec une poudre d’alliage A1SÎ12, on peut obtenir des pièces multi-matériaux comprenant des parties en métal et des parties en céramique en alumine stœchiom étriqué majoritaire avec quelques phases minoritaires telles que : alumine non stoechiométrique, aluminosilicates, résidus de métal. En outre, à l’interface entre le métal et la céramique, il peut être formé une couche en alumine probablement non-stœchiométrique et moins conductrice.
Plus généralement pour le produit obtenu, des parties métalliques peuvent renfermer quelques inclusions diélectriques et inversement des parties diélectriques peuvent contenir des incursions métalliques. C’est pourquoi on parle de phase « majoritairement métallique » avec quelques phases résiduelles diélectriques ou de phase « majoritairement » diélectriques avec quelques résidus métalliques, voire des résidus de phases métalliques oxydées issues du prétraitement.
Dans certains cas, comme la liaison chimique entre le métal du plateau de fabrication et la céramique générée est complexe voire inexistante, la partie diélectrique est de préférence entourée d’une partie en métal qui s’accroche bien sur le plateau et qui joue le rôle de barrière. Alternativement, le matériau diélectrique est formé sur une partie de pièce en métal majoritaire.
D’autres poudres métalliques utilisées peuvent être des poudres classiquement utilisées en fabrication additive, dans les techniques de fusion de lit de poudre par laser, par exemple d’autres alliages à base d’aluminium, des poudres de métaux ou d’alliages de métaux autres que l’aluminium, tel que les métaux de transitions et les métaux pauvres, par exemple : les alliages à base de fer, de cobalt ou de nickel, ou des métalloïdes tels que le silicium. Sont particulièrement visés les métaux situés dans la partie centrale et haute des diagrammes d’Ellingham tel que décrits par exemple dans la publication « Ellingham Diagram » de Masakatsu Hasegawa (Graduate School of Energy Science, Kyoto University) reproduit en figures 7A et 7B, ainsi que les alliages à base de ces métaux. Les diagrammes d’Ellingham permettent de prévoir les équilibres entre un métal et ses oxydes en fonction de la température et de la pression, et de connaître les réactions d'oxydoréduction thermodynamiquement possibles entre deux espèces.
La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation précédemment décrits mais s'étend à tout mode de réalisation entrant dans la portée des revendications.
L’invention s’applique notamment :
- à la réalisation de dispositifs mécaniques, par exemple de pièces de structure nécessitant la combinaison dans des géométries complexes de propriétés physico-chimiques complémentaires apportées par l’association d’un métal et d’une céramique (par exemple barrières thermiques, tuyères, ailettes de turbine ...) ;
- à la réalisation de pièces majoritairement en céramique dont la réalisation par fabrication additive conventionnelle est difficile (exemple de l’alumine, éventuellement de nitrures) ; - à la réalisation de dispositifs électroniques, par exemple miniaturisation de guides d’onde, de résonateurs, de transitions 3D hyperfréquence pour front-end d’antenne active ;
- à la réalisation de métamatériaux, notamment des métamatériaux comprenant des inclusions diélectriques/céramiques réparties de manière périodique dans une matrice métallique ou des inclusions métalliques réparties de manière périodique dans une matrice diélectriques/céramique.

Claims

Revendications
1. Procédé de fabrication d’une pièce multi-matériaux par fabrication additive, ledit procédé comprenant les étapes suivantes : a) une étape de fourniture d’une poudre métallique prétraitée comprenant des grains et une couche oxydée et poreuse en surface desdits grains ; b) une étape de fusion sélective de lit de poudre par laser comprenant la mise en œuvre des étapes i) et ii) suivantes : i) une étape de formation d’une couche (11, 12, 13, 14) à partir de la poudre métallique prétraitée ; ii) une étape de fusion par laser de tout ou partie de ladite couche de poudre métallique prétraitée, ladite étape de fusion étant réalisée sous atmosphère réactive et ladite étape de fusion comprenant l’adaptation de paramètres d’application du laser (110) pour transformer au moins une première zone de ladite couche de poudre métallique prétraitée de manière à en abaisser la conductivité électrique, formant ainsi un diélectrique, et pour densifier au moins une seconde zone de ladite couche de poudre métallique prétraitée sans la transformer, la au moins une première zone étant formée lorsque les paramètres d’application du laser permettent d’appliquer une première densité d’énergie (Qi) à ladite première zone et/ou de maintenir le faisceau laser pendant une première durée de maintien (ti) sur ladite première zone, la au moins une seconde zone étant formée lorsque les paramètres d’application du laser permettent d’appliquer une seconde densité d’énergie (Q2) à ladite seconde zone et/ou de maintenir le faisceau laser pendant une seconde durée de maintien (t2) sur ladite seconde zone, et la première densité d’énergie étant supérieure à la seconde densité d’énergie et/ou la première durée de maintien étant supérieure à la seconde durée de maintien.
2. Procédé selon la revendication 1, l’épaisseur de la couche oxydée et poreuse en surface des grains étant comprise entre 0,02 pm et 5 pm
3. Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, comprenant, préalablement à l’étape de fourniture, une étape de prétraitement d’une poudre métallique de manière à former une couche oxydée et poreuse en surface des grains.
4. Procédé selon la revendication 3, l’étape de prétraitement comprenant la mise en contact de la poudre métallique avec un réactif oxydant pour réaliser une réaction d’oxy do-réduction de ladite poudre métallique, le réactif oxydant étant de préférence un acide fort ou une base forte, par exemple un acide halogéné ou un hydroxyde alcalin.
5. Procédé selon l’une des revendications 4, l’étape de prétraitement comprenant, ultérieurement à la réaction d’oxy do-réduction, au moins une parmi les étapes suivantes : une étape de séchage, une étape de broyage, une étape de tamisage.
6. Procédé selon l’une des revendications 1 à 5, la première durée de maintien (ti) étant au moins cinq fois supérieure à la seconde durée de maintien (t2), de préférence au moins dix fois.
7. Procédé selon l’une des revendications 1 à 6, la première densité d’énergie (Qi) étant comprise entre 6 et 30 kJ mm 2 et/ou la seconde densité d’énergie ((¾) étant comprise entre 0,2 et 5 kJ mm 2.
8. Procédé selon l’une des revendications 1 à 7, les paramètres d’application du laser étant choisis parmi : la vitesse de déplacement (v) du laser, l’écartement (d) entre deux positions successives du laser, la puissance (P) du laser, et la distance (D) parcourue par le laser.
9. Procédé selon la revendication 8, la première puissance (Pi) du laser pour former la au moins une première zone étant égale à la seconde puissance (P2) du laser pour former la au moins une seconde zone.
10. Procédé selon l’une des revendications 8 ou 9, la première vitesse de déplacement (vi) pour former la au moins une première zone étant comprise entre 10 et 1000 mm. s 1 et le premier écartement (di) pour former la au moins une première zone étant inférieur à 10 pm
11. Procédé selon la revendication 10, la première vitesse de déplacement (vi) étant comprise entre 100 et 1000 mm. s 1.
12. Procédé selon l’une des revendications 8 à 11, la seconde vitesse de déplacement (V2) pour former la au moins une seconde zone étant comprise entre 30 et 5000 mm. s 1 et le second écartement (d2) pour former la au moins une seconde zone étant compris entre 1 et 200 pm.
13. Procédé selon la revendication 12, la seconde vitesse de déplacement (V2) étant comprise entre 100 et 1000 mm. s 1.
14. Procédé selon l’une des revendications 8 à 13, la première distance (Di) parcourue par le laser pendant un déplacement pour former la au moins une première zone est inférieure ou égale à 2 mm.
15. Procédé selon l’une des revendications 1 à 14, l’étape de fusion étant réalisée sous atmosphère oxydante.
16. Procédé selon l’une des revendications 1 à 14, l’étape de fusion étant réalisée sous atmosphère nitrurante.
17. Pièce obtenue par le procédé selon l’une des revendications 1 à 16 et comprenant au moins une première partie comprenant majoritairement des premières zones diélectriques et au moins une seconde partie comprenant majoritairement des secondes zones métalliques, dans le plan de fabrication et dans la direction de fabrication.
18. Pièce selon la revendication 17 dans laquelle dans laquelle la première partie est répartie de manière périodique dans une matrice métallique ou la seconde partie est répartie de manière périodique dans une matrice diélectrique.
19. Pièce selon la revendication 17 comprenant un cœur métallique recouvert d’une barrière thermique en diélectrique.
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