EP4319934A1 - Procédé de fabrication additive d'une pièce métallique - Google Patents

Procédé de fabrication additive d'une pièce métallique

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EP4319934A1
EP4319934A1 EP22720604.2A EP22720604A EP4319934A1 EP 4319934 A1 EP4319934 A1 EP 4319934A1 EP 22720604 A EP22720604 A EP 22720604A EP 4319934 A1 EP4319934 A1 EP 4319934A1
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EP
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layer
substrate
deposited
cooler
layers
Prior art date
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Pending
Application number
EP22720604.2A
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German (de)
English (en)
Inventor
Prigent Serge
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Institut de Recherche Technologique Jules Verne
Original Assignee
Institut de Recherche Technologique Jules Verne
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Filing date
Publication date
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    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • the present invention relates to the additive manufacturing of a metal part.
  • the invention relates to a process for the additive manufacturing of a metal part on a metal substrate, in particular a very long substrate.
  • the invention also relates to an additive manufacturing installation for implementing the process as well as a metal part obtained by such a process.
  • the metals used are in fact, for example, titanium alloys which are very reactive to oxygen, when they are in the liquid state or in the solid state at a temperature above 200°C, or even nickel-based superalloys reactive to oxygen in the liquid state mainly. It is therefore necessary to carry out metal additive manufacturing away from oxygen, hydrogen, carbon and nitrogen.
  • vacuum enclosures or inerting enclosures or bells or a glove box that is to say a bell with rubber sleeves for handling or a strap that is i.e. an inert gas diffuser.
  • the large enclosures considerably increase the costs and constraints of additive manufacturing.
  • the aim of the invention is thus to propose a process for the additive manufacturing of a metal part which makes it possible to control the temperature fields, to reduce the constraints, the costs and the time necessary for the additive manufacturing of the part, in particular if that -this is of great length.
  • the invention achieves this in whole or in part by means of a process for the additive manufacturing of a metal part on a substrate, by adding at least one molten metal, layer by layer, the process comprising the following steps: a) Step a: depositing the molten metal layer by layer, b) Step b: simultaneously with step a), cooling, using a movable cooler relative to the substrate, a cooling zone located at least around the last deposited layer (n-1) before the layer ( n) being deposited, preferably at least around the layers ranging from the deposited layer (n-5) to the last deposited layer ⁇ n-1) before the layer (“) being deposited.
  • thermoelectric cooler which can move relative to the substrate at least around the layer deposited before the layer being deposited and possibly from the layer or layers previously deposited up to the fifth layer previously deposited. , for example, and optionally of the layer being deposited. This makes it possible to control the temperature of this or these layers, in particular to dissipate the heat to avoid overheating.
  • layer being deposited is meant the layer whose deposition lasts from the beginning to the end of the deposition of the layer and it is considered that there is no transition period between two deposited layers, but that there is continuity. Thus, there is always a layer being deposited and a final layer deposited (starting from the second layer being deposited), regardless of whether or not the method is continuously implemented.
  • the cooling according to step b) can begin as soon as the second layer is deposited.
  • the method may nevertheless include a step consisting in cooling the first layer deposited when it is unique and in the process of being deposited.
  • the cooling zone preferably comprises at least one peripheral zone of the last layer deposited n-1 before the layer being deposited n, transversely thereto, as well as a peripheral zone of at least one part, for example between 1 and 5 layers, over a height of approximately between 2 and 10 mm, of the n-1 layers deposited before the layer being deposited n, and/or a zone located above a peripheral zone of the last layer deposited n-1 over a height comprised between 0 and 10 mm approximately, n being in particular comprised between 1 and 5.
  • cooler relative to the substrate
  • the cooler is mobile, in particular moves in one direction, for example upwards, and the substrate remains fixed; or the cooler remains fixed and the substrate is mobile, in particular moves in one direction, for example downwards; or alternatively the cooler and the substrate are both mobile, one moving in one direction, eg up and the other moving in the opposite direction, eg down.
  • the cooler can be moved using an automaton or a robot and/or be integral with the welding equipment to move relative to the substrate. .
  • the cooler is preferably fixed relative to the last layer deposited before the layer being deposited and/or relative to the layer being deposited. It can also be indicated that the cooler can be movable in a synchronized manner with the last layer deposited before the layer being deposited and/or with the layer being deposited.
  • the chiller can be monobloc.
  • the cooler may have a shape that can at least partially match the shape of the layer being deposited, at a distance from the latter.
  • the cooler may comprise a plurality of walls, in particular plates, in particular between two and eight, which may be independent, connected to each other or not, and preferably integral in movement.
  • the cooler comprises a plurality of plates, it can be referred to as being multi-plate.
  • a plate can have dimensions, for example of 50mm*10mm*5mm approximately. Whether the cooler is monobloc or multi-plate, in particular when the cooler is multi-plate, the distance of the cooler can be adjusted vis-à-vis the metallic material of the layers concerned to have the desired temperature for the, in particular each, layer. (s).
  • the cooler may include one or more walls formed by copper plates incorporating circuits cooled by a cooling liquid, in particular water or heat transfer fluid.
  • the wall(s) of the cooler can be formed by the circuits themselves arranged in a serpentine pattern.
  • the cooler advantageously belongs to a power-controlled cooling system also comprising a control system.
  • the chiller coolant temperature when present, is advantageously controlled by the cooling system control system.
  • the welding power can vary from 500 W to 50 kW depending on the installation. It will be sought to dissipate between 20% and 90% of the energy, which corresponds to approximately an energy to be evacuated, for example comprised between approximately 3kW and 50kW.
  • the temperature of the substrate upstream and at the level of the layers ranging, for example, to a distance of between 1 mm and 50 mm, in particular between 5 mm and 15 mm, preferably equal to approximately 10 mm upstream of the layer being deposited n up to the n-5 layer is advantageously controlled by the cooling system.
  • the temperature of the substrate, in particular in the zone around the last layer deposited before the layer being deposited and/or the layer being deposited can be controlled to be between ambient temperature and 600°C. It should be noted that the thermal front effectively precedes layer n by a distance of between 1 mm and 50 mm, in particular between 5 mm and 15 mm, preferably equal to approximately 10 mm.
  • Step a) can be implemented in such a way that the layers are deposited according to a plane that is not parallel to the substrate.
  • the plane of the layers deposited in step a) then preferably forms an angle substantially orthogonal with respect to the substrate.
  • the first layer is preferably deposited on a secondary substrate fixed to the substrate, in particular close to one end of the latter and extending in a plane substantially parallel to the plane of the layers which will be deposited and preferably orthogonal to the substrate.
  • Each layer advantageously comprises one end, that is to say a layer edge, welded to the substrate at the time of its deposition.
  • the cooler can be movable along an axis parallel to the substrate relative to the latter, in particular parallel to a longitudinal axis of the substrate.
  • the substrate may have support points for the relative movement of the cooler.
  • the substrate can itself form a fixed wall closing the cooling zone on one side.
  • the method may comprise the step consisting in injecting, using a diffuser, an inert gas into an inerting cell including the cooling zone during all or part of the implementation of steps a) and b) .
  • the inert gas can be injected at least into the cooling zone.
  • the gas can be diffused from an area below the cooling zone, upwards.
  • the area for inerting can be reduced, while making it possible to avoid oxidation of the deposited metal.
  • the inerting cell can include and surround the cooling zone and at least partially the substrate.
  • the inerting cell can be deployed as the process is implemented.
  • the inerting cell may comprise at least one partition, in particular a movable partition relative to the substrate and/or sliding and/or bellows.
  • the inerting cell comprises a movable partition relative to the substrate
  • the latter and/or the substrate can move, throughout the manufacturing process, so that the upper end of the partition remains at a predetermined, substantially fixed distance from the layer being deposited.
  • the inerting cell has at least one sliding partition
  • the latter can be mounted on rails and slide around the part being manufactured for the duration of the process.
  • the inerting cell can also include several sliding partitions, which slide one by one, relative to the others, to unfold around the part as the process is implemented.
  • a single partition can be deployed at the start, then, as the process progresses, a second partition is deployed to participate in delimiting the inerting cell, while maintaining a predetermined distance, substantially fixed, between the upper end of the inerting cell and the last layer deposited, etc. until the last layer of the part is deposited.
  • the bellows When the inerting cell has a partition with bellows, the bellows is, at the start of the process, little or not deployed. Then, as the method is implemented, the bellows partition is deployed, in particular upwards, until it reaches a fully deployed state at the end of the production of the part, in particular while maintaining a predetermined substantially fixed distance between the upper end of the bellows partition and the last deposited layer.
  • the predetermined substantially fixed distance between the upper end of the inerting cell and the last layer deposited may for example be between 10 and 50 cm.
  • the inert gas can be cooled to a temperature below ambient temperature using a refrigeration unit or by expansion.
  • the temperature of the inert gas can be at least 100°C lower than the temperature of the cooling zone.
  • the flow of inert gas can be greater than or equal to 1 m 3 /h.
  • the gas can be projected on the cooling zone with a speed of at least 0.001 m/s.
  • the inert gas is preferably chosen from the group consisting of argon, helium and nitrogen.
  • Argon is about 40% denser than air.
  • the diffuser is, for example, a refractory metal or ceramic sinter and makes it possible to create a gaseous zone free of air and compatible with a welding activity of titanium, its alloys and nickel alloys.
  • One or more flexible curtains can extend, for example, to one or more centimeters or even meters around all or part of the inerting cell.
  • a relatively small zone is delimited around the part where both the temperature and the gas present are controlled.
  • the metal is for example chosen from the group consisting of titanium, titanium alloys, nickel-based superalloys and steels.
  • the metal can be brought before melting in the form of powder, wire, strip, bar, or any other form.
  • a welding torch is used to deposit the molten metal in step a).
  • the technique can still implement an electron beam, a laser, plasma or arc.
  • the part is formed by depositing layers on a first side of the substrate and by depositing layers on a second side of the substrate, in particular opposite the first side.
  • the deposition of layers on the first side can be carried out simultaneously with the deposition of layers on the second side.
  • the deposition of layers on the first side is for example carried out symmetrically to the deposition of layers on the second side.
  • Another subject of the invention is an additive manufacturing installation for the manufacture of a metal part on a substrate, by adding at least one molten metal, in particular for the implementation of the method as defined above, the installation comprising at least one system for supplying and depositing a metal in layer-by-layer melting and a cooling system comprising a movable cooler relative to the substrate delimiting a cooling zone and configured to cool at least the cooling zone located at least around the last layer deposited before the layer being deposited and possibly around the layer being deposited.
  • the cooler can be movable along an axis parallel to the substrate, relative to the latter.
  • the installation may include an inert gas diffuser capable of diffusing an inerting gas into an inerting cell comprising at least the cooling zone.
  • the cooling system may comprise a control system able to control the temperature in the zone delimited by the cooler, the control system being for example able to control the mobility along one or more axes of the cooler, in particular of the walls of the cooler and/or or coolant temperature.
  • Another subject of the invention is a metal part obtained using the method as defined above, produced layer by layer on the substrate, each layer s extending in a plane substantially orthogonal to the substrate.
  • FIG 1 Figure 1 schematically shows in perspective an example of an installation for the implementation of an additive manufacturing process for a metal part according to the prior art
  • Figure 2 shows, schematically, partially and in perspective, an example of an installation according to the invention, for the implementation of an example of an additive manufacturing process, according to the invention, of a metallic part on a substrate, at the beginning of this one,
  • FIG 3 Figure 3 is a view similar to Figure 2, after deposition of a number of layers
  • Figure 4 is a view similar to Figures 2 and 3 towards the end of the implementation of the method
  • Figure 5 is an isolated, schematic and perspective view of an example of a one-piece cooler that can be used during the method according to the invention
  • FIG 6 figure 6 represents schematically, partially and in perspective, an installation according to the invention showing another example of positioning of the cooler during the implementation of the method according to the invention
  • FIG 7 Figure 7 schematically shows in perspective another example of implementation of the additive manufacturing process according to the invention.
  • FIG 8 Figure 8 schematically shows in perspective another example of implementation of the additive manufacturing process according to the invention.
  • FIG 9 Figure 9 schematically shows in perspective another example of implementation of the additive manufacturing process according to the invention.
  • Figure 10 shows in longitudinal sectional view, schematic and partial, an example of installation for the implementation of the method according to the invention
  • FIG 11 is a view similar to figure 10 of the same installation after deposition of a certain number of layers
  • Figure 12 illustrates in isolation and schematically in sectional view an example of a bellows partition that can be used during the implementation of the method according to the invention
  • FIG 13 figure 13 schematically shows in top view an example of a part that can be obtained using the method of the invention
  • Figure 14 shows in cross section along XIV, schematically, the part of Figure 13, surrounded by the cooler,
  • Figure 15 schematically shows in cross section another example of a part that can be manufactured with the method according to the invention
  • Figure 16 schematically shows in cross section another example of a part that can be manufactured with the method according to the invention
  • Figure 17 schematically shows in cross section another example of a part that can be manufactured with the method according to the invention
  • FIG 18 Figure 18 schematically shows in cross section another example of a part that can be manufactured with the method according to the invention
  • Figure 19 schematically shows in cross section another example of a part that can be manufactured with the method according to the invention
  • Figure 20 schematically shows in cross section another example of a part that can be manufactured with the method according to the invention.
  • FIG. 1 An example of implementation of an additive manufacturing process used in the prior art.
  • a molten metal M for example a molten metal wire
  • the substrate S has a great length, for example greater than 1 m.
  • FIGS. 2 to 4 represent an example of implementation of the method according to the invention with an installation 1 in accordance with one embodiment of the invention for producing a metal part 50 by additive manufacturing.
  • This example to create a reinforcing rib 11, or stiffener, on a substrate 2 and along the latter.
  • the substrate 2 is very long, for example having a length greater than 1 m.
  • the metal part 50 comprises the rib 11 and the substrate 2.
  • a welding torch deposits molten metal M in the form of layers 14, layer by layer, to form the part.
  • the installation 1 comprises a cooler 5, mobile relative to the substrate 2, but fixed relative to the layer 14, called n, being deposited at a given moment.
  • the cooler 5 moves as the layers are deposited to be fixed relative to the layer being deposited.
  • the cooler 5 delimits a cooling zone 8 during the deposition of the layers 14 as visible in FIGS. 3 and 4, around at least the last layer 14 deposited n-1 and possibly the layer 14 being deposited n in order to obtain an optimum temperature within this cooling zone 8 and to dissipate the heat from the molten metal M deposited layer by layer, as the construction of the metal part 50 progresses.
  • the cooler 5 delimits a cooling zone 8 which surrounds the n-5 layers 14 deposited before the layer 14 during deposition n.
  • the cooling zone 8 comprises at least a peripheral zone of the last layer deposited n-1 before the layer being deposited n, transversely thereto, as well as a peripheral zone of at least part of the n-1 layers, in this example between 1 and 5 layers, over a height of between 2 and 10 mm approximately.
  • the cooler 5 comprises a plurality of walls forming plates 6, three in number in this example, namely an outer plate 6a, arranged on the opposite side with respect to the substrate 2 and plates 6b and 6c, parallel to each other in this example, laterally surrounding the layers 14 parallel to the axis Y.
  • the plates 6 extend in a vertical plane in the example illustrated, perpendicular to the plane of the layers 14.
  • the cooler 5 is in this multi-plate example.
  • Each plate 6 may consist of a copper plate incorporating circuits cooled by a cooling liquid, in particular water or heat transfer fluid.
  • the cooler 5 is fixed relative to the last layer 14 deposited n-1 before the layer 14 n being deposited, always surrounding the latter as well as possibly the layer being deposited. deposition n and/or one or more preceding layers.
  • the cooler 5 can be fixed to the support of the welding torch and move integrally with it, during the implementation of the process.
  • the substrate 2 which is mobile during the implementation of the method, while the cooler 5 remains fixed, as does the welding torch for example.
  • the cooler 5 belongs to a cooling system 7 which further comprises a control system 20, shown in dotted lines in FIG. 2, formed for example by a remote computer, making it possible to control the temperature of the plates 6 and therefore of the zone of cooling 8, so that the latter allows cooling of the n-layer or of the n-1 layer and possibly of the layers under the n-1 layer, for example up to the n-5 layer.
  • a control system 20 shown in dotted lines in FIG. 2, formed for example by a remote computer, making it possible to control the temperature of the plates 6 and therefore of the zone of cooling 8, so that the latter allows cooling of the n-layer or of the n-1 layer and possibly of the layers under the n-1 layer, for example up to the n-5 layer.
  • layers 14 are deposited not parallel to substrate 2 as in the prior art, but at an angle. In this example, layers 14 are deposited perpendicular to the substrate 2 extending along the axis X. Each layer 14 has two opposite edges 9, a free edge 10 and an edge 12 in contact with the substrate 2. The end edge 12 of each layer 14 is soldered to the substrate 2 during the deposition of the layer 14.
  • substrate 2 is positioned vertically. It could be arranged in an inclined manner without departing from the scope of the invention.
  • a secondary substrate 3, visible in FIG. 2, is fixed, for example by welding, close to the lower end of the substrate 2, orthogonal thereto, along an axis Y.
  • the secondary substrate 3 may have a surface of base 4 corresponding to the area of each layer 14 of metal to be deposited during the additive manufacturing process.
  • the base surface 4 can alternatively have a larger surface than that of each layer 14.
  • the deposited metal is in this example a titanium-based alloy, but it could constitute a nickel-based superalloy or any other weldable metal alloy without departing from the scope of the invention.
  • the metal is brought in the form of wire in this example.
  • the metal M is melted in this example using a welding torch, only part of which is shown for the sake of clarity of the drawing.
  • the temperature in the cooling zone 8 it is sought to maintain the temperature in the cooling zone 8 at a temperature between ambient temperature and 600°C, in particular between 100°C and 300°C.
  • the respective distances d between the plates 6a and 6b and the respective edges 9 of the deposited layers 14 can be approximately between 0 and 2 mm.
  • a contact is ensured between the plates 6a and 6b and the respective edges 9 for an exchange by conduction.
  • This distance d can be modulated to adjust the temperature within the cooling zone 8 delimited by the cooler 5. It is also possible to modulate the surface of the cooler and its thermal dissipation flux in kW/h.
  • the cooler 5 moves in such a way that the cooling zone 8 has a constant volume except for modulation of the distance between the plates 6b, respectively 6c, and the corresponding edge 9 of the deposited layers n-1, etc.
  • the cooler 5 is multi-plate in the example of FIGS. 2 to 4.
  • the cooler 5 is one-piece, having an overall shape and a through opening 21 allowing it to surround the substrate 2 and the layers 14 and to define the cooling zone 8.
  • cooler 5 could include a fourth plate 6d parallel to plate 6a but located at the other end of plates 6b and 6c to face the free edge 10 of the rib 11 under construction. This could make it possible to completely close the cooling zone 8 laterally.
  • Such a plate 6d is present in the embodiment of FIG. 6.
  • the cooling zone 8 delimited around the n-1 layer and the previously deposited layers also extends around and above above the layer n being deposited along the longitudinal axis X of the substrate 2.
  • coolers 5 are provided, referenced 5a and 5b.
  • the coolers 5 each comprise only two plates 6b and 6c, and are movable in displacement independently of one another, relative to the substrate 2.
  • the ribs 11a and 11b are formed simultaneously and the coolers 5a and 5b are movable simultaneously.
  • Figure 9 illustrates the possibility of depositing a metal not in the form of molten wire but in the form of bars 13 coming to be deposited in the molten state. This makes it possible in particular to increase the rate of deposition of the layers 14.
  • the cooler 5 which, with the cooling zone 8 that it delimits, only laterally encloses the zone with the n-1 layer deposited. , possibly the layer n being deposited, the layers already deposited underlying and possibly a zone above the layer n being deposited.
  • FIG. 10 and 11 another example of installation 1 for the implementation of the method according to the invention, comprising, in addition to the cooling system 7, an inerting system 15 with injection of inert gas, in this example consisting of argon.
  • the injection is done in this example from the bottom using a diffuser towards an inerting cell 22 including the cooling zone 8 delimited by the cooler 5 shown in dotted lines, and the zone around this cooling zone 8, in the direction illustrated by the arrows, that is to say upwards.
  • Figure 10 illustrates the beginning of the implementation of the method according to the invention, the number of layers deposited being low, while Figure 11 represents the installation after implementation of the method on a large number of layers.
  • the inerting cell 22 is delimited by at least one, in particular several partitions 26 which can slide relative to each other telescopically, in order to extend the inerting cell 22 as the process is implemented.
  • the partitions 26 are superimposed laterally at the start. They then extend over a height h equal to the height of a partition 26 in Figure 10.
  • the partition 26i located outside has slid upwards so that the total height is the height h; greater than the height h.
  • the inerting cell 22 is therefore extended in this example during the implementation of the additive manufacturing process according to the invention.
  • the distance D between the upper end 25 of the inerting cell 22 and therefore of the highest partition 26 and the layer being deposited n can be constant and predetermined during the implementation process according to the invention, having for example a value between 10 and 50 cm.
  • FIG. 13 and 14 there is shown a metal part 50 with a rib 11 of pyramidal shape as visible.
  • the deposition of the layers will of course be adapted according to this pyramidal shape.
  • the plates 6 of the cooler 5 can be, as shown in this figure, arranged parallel to the edges 9 of the rib 11.
  • FIGS. 15 to 20 Other examples of metal parts 50 according to the invention produced according to the method according to the invention have been illustrated in FIGS. 15 to 20.
  • the rib 11 seen from above changes dimension in height and in thickness on the X axis, with a part 17 more massive than the part 16.
  • the rib 11 is in the shape of an inverted pyramid.
  • the rib 11 comprises two parts 18 and 19 forming an angle between them.
  • the plates 6 of the cooler 5 can present angles so as to have at any point of the plate 6 a constant distance relative to the edge 9 and possibly 10 of the rib 11.
  • the rib 11 has a curved shape.
  • the shape of the plates 6 will also be adapted to this curved shape to maintain within the cooling zone 8 delimited by the cooler 5 a predetermined temperature range.
  • the substrates 2 are separate unlike in FIG. 19. Between the substrates 2, a part of the cooler 5 has been integrated in the form of a plate.
  • the ribs 11 in this example include a protrusion 19.
  • the shape of the cooler 5 and of the plates 6 is of course adapted to have, in the cooling zone 8, the desired temperature.
  • an embodiment according to the invention can be that of FIG. 1, including a cooler 5 as described above.
  • the substrate 2 can be mobile and the cooler 5 can be fixed, during the implementation of the method.
  • the metal can be in the form of powder, wire, bar, strip or in another form.
  • Layers 14 can be deposited in an inclined plane that is not orthogonal to the plane of substrate 2. Secondary substrate 3 can form a non-right angle with substrate 2.

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Abstract

Procédé de fabrication additive d'une pièce métallique (50) sur un substrat (2), par apport d'au moins un métal en fusion, en couche par couche, le procédé comportant les étapes suivantes : a) Etape a : déposer en couche par couche le métal en fusion, b) Etape b : simultanément à l'étape a), refroidir, à l'aide d'un refroidisseur (7) mobile relativement au substrat (2), une zone de refroidissement (8) située au moins autour de la dernière couche déposée (n-1) avant la couche en cours de dépôt (n).

Description

Description
Titre : Procédé de fabrication additive d’une pièce métallique Domaine technique
La présente invention concerne la fabrication additive d’une pièce métallique. En particulier, l’invention concerne un procédé de fabrication additive d’une pièce métallique sur un substrat métallique, en particulier un substrat de grande longueur. L’invention concerne également une installation de fabrication additive pour la mise en œuvre du procédé ainsi qu’une pièce métallique obtenue par un tel procédé.
Technique antérieure
Pour réaliser une pièce métallique sur un substrat par fabrication additive, il est connu de déposer, en couche par couche, sur le substrat, un métal en fusion. Cependant, plusieurs problèmes se posent, notamment pour les pièces de grande longueur, fabriquées sur des substrats de grande longueur également.
Un de ces problèmes est que plus on s’éloigne du substrat vers le haut, au fur et à mesure du dépôt des couches de métal, moins la chaleur est évacuée dans le substrat. Or, cette chaleur doit être dissipée sinon on assiste à un effondrement de la matière déposée. En effet, une mauvaise gestion des flux thermiques conduit à un déséquilibre entre la puissance injectée et la puissance dissipée. La conséquence sur le système est qu’il devient anisotherme par une évolution de la température jusqu’à atteindre des surchauffes rendant impossible la gestion de la température entre deux couches déposées. Lorsque les métaux utilisés sont des alliages de titane ou des superalliages base nickel, ceux-ci sont réfractaires et ont des coefficients de conduction thermique respectivement de l’ordre de 20 W.m^.K 1 et 10 W.m ^K 1. Pour éviter cette surchauffe et cet effondrement, il est ainsi nécessaire d’attendre après le dépôt d’une couche, par exemple plusieurs minutes, avant de déposer la couche suivante, ce qui augmente considérablement le temps de fabrication additive d’une pièce. Il est encore connu de réduire l’énergie de soudage, ce qui présente un risque de collage du métal par manque de dilution du substrat en lieu et place de soudage et/ou d’utiliser une sole refroidie fixe, consistant en une plaque ou un barreau de cuivre, mais la sole fixe autorise une seule géométrie.
Un autre de ces problèmes est lié à l’oxydation de la matière métallique en fusion. Les métaux utilisés sont en effet par exemple les alliages de titane très réactifs à l’oxygène, lorsqu’ils sont à l’état liquide ou à l’état solide à une température supérieure à 200°C, ou encore les superalliages base nickel réactifs à l’oxygène à l’état liquide principalement. Il est donc nécessaire de réaliser la fabrication additive métallique à l’abri de l’oxygène, de l’hydrogène, du carbone et de l’azote. Pour résoudre ce problème, il est connu d’utiliser des enceintes à vide ou des enceintes ou cloches d’inertage ou une boîte à gants, c’est-à-dire une cloche avec manchons de caoutchouc de manipulation ou un trainard c’est-à-dire un diffuseur de gaz inerte. Les enceintes, de grandes dimensions, augmentent considérablement les coûts et contraintes de la fabrication additive.
Enfin, un autre problème identifié est relatif à la création de déformations liées à un gradient important de température entre la couche n-1 précédemment déposée et la couche n en cours de dépôt. En effet, la relaxation locale des contraintes à haute température, supérieure à 700°C, conduit à des contraintes de traction après refroidissement, selon la courbe type SATOH. L’essai SATOH revient à établir une courbe de contraintes en fonction de la température sur un cycle de chauffage puis refroidissement représentatif d’une passe de soudage (thermique). Cet essai se réalise à déformation nulle ou faible. Il est connu de compenser partiellement les déformations observées par une surépaisseur d’usinage, ce qui impacte le bilan économique. Par ailleurs, il est impossible de corriger les fortes déformations par un usinage et la pièce est alors mise au rebut. Il est également connu de réaliser des plans d’expériences sur l’impact entre largeur, hauteur et dilution de la couche déposée. La diminution de l’énergie par exemple est souvent favorable techniquement mais affecte le taux de dépôt et donc dégrade le bilan économique. La maîtrise des champs de température est donc un problème technique majeur lors de la fabrication additive métallique.
L’invention a ainsi pour objectif de proposer un procédé de fabrication additive d’une pièce métallique qui permette de maîtriser les champs de température, de réduire les contraintes, les coûts et le temps nécessaires pour la fabrication additive de la pièce, notamment si celle-ci est de grande longueur.
Exposé de l’invention
Procédé de fabrication additive
L’invention y parvient en tout ou partie grâce à un procédé de fabrication additive d’une pièce métallique sur un substrat, par apport d’au moins un métal en fusion, en couche par couche, le procédé comportant les étapes suivantes : a) Etape a : déposer en couche par couche le métal en fusion, b) Etape b : simultanément à l’étape a), refroidir, à l’aide d’un refroidisseur mobile relativement au substrat, une zone de refroidissement située au moins autour de la dernière couche déposée ( n-1 ) avant la couche (n) en cours de dépôt, de préférence au moins autour des couches allant de la couche déposée ( n-5 ) jusqu’à la dernière couche déposée {n-1) avant la couche («) en cours de dépôt.
Grâce à l’invention, on bénéficie d’un refroidisseur qui peut se déplacer relativement au substrat au moins autour de la couche déposée avant la couche en cours de dépôt et éventuellement de la ou des couches précédemment déposées jusqu’à la cinquième couche précédemment déposée, par exemple, et éventuellement de la couche en cours de dépôt. Cela permet de maîtriser la température de cette ou ces couches, en particulier de dissiper la chaleur pour éviter la surchauffe.
Par « couche en cours de dépôt », on entend la couche dont le dépôt dure depuis le début jusqu’à la fin du dépôt de la couche et on considère qu’il n’y a pas de période de transition entre deux couches déposées, mais qu’il y a une continuité. Ainsi, il y a toujours une couche en cours de dépôt et une dernière couche déposée (à partir de la deuxième couche en cours de dépôt), indépendamment de la mise en œuvre continue ou non du procédé.
Le refroidissement selon l’étape b) peut commencer dès le dépôt de la deuxième couche. Le procédé peut néanmoins comporter une étape consistant à refroidir la première couche déposée lorsqu’elle est unique et en cours de dépôt.
La zone de refroidissement comporte de préférence au moins une zone périphérique de la dernière couche déposée n-1 avant la couche en cours de dépôt n, transversalement à celle-ci, ainsi qu’une zone périphérique d’au moins une partie, par exemple entre 1 et 5 couches, sur une hauteur comprise entre 2 et 10 mm environ, des n-1 couches déposées avant la couche en cours de dépôt n, et/ou une zone située au-dessus d’une zone périphérique de la dernière couche déposée n-1 sur une hauteur comprise entre 0 et 10 mm environ, n étant notamment compris entre 1 et 5.
Par « refroidisseur mobile relativement au substrat », on entend que trois modes de réalisation sont possibles : le refroidisseur est mobile, en particulier se déplace dans une direction, par exemple vers le haut, et le substrat reste fixe ; ou le refroidisseur reste fixe et le substrat est mobile, en particulier se déplace dans une direction, par exemple vers le bas ; ou bien encore le refroidisseur et le substrat sont tous deux mobiles, l’un se déplaçant dans une direction, par exemple vers le haut et l’autre se déplaçant dans la direction opposée, par exemple vers le bas. Le refroidisseur peut être déplacé à l’aide d’un automate ou d’un robot et/ou être solidaire du matériel de soudage pour se déplacer relativement au substrat. .
Le refroidisseur est de préférence fixe relativement à la dernière couche déposée avant la couche en cours de dépôt et/ou relativement à la couche en cours de dépôt. On peut encore indiquer que le refroidisseur peut être mobile de manière synchronisée avec la dernière couche déposée avant la couche en cours de dépôt et/ou avec la couche en cours de dépôt.
Le refroidisseur peut être monobloc. Dans ce cas, le refroidisseur peut présenter une forme pouvant épouser au moins partiellement la forme de la couche en cours de dépôt, à distance de celle-ci.
En variante, le refroidisseur peut comporter une pluralité de parois, notamment des plaques, notamment entre deux et huit, pouvant être indépendantes, reliées entre elles ou non, et de préférence solidaires en déplacement. Dans le cas où le refroidisseur comporte une pluralité de plaques, on peut le désigner comme étant multi-plaque. Une plaque peut avoir pour dimensions, par exemple de 50mm * 10 mm * 5 mm environ. Que le refroidisseur soit monobloc ou multi-plaque, notamment lorsque le refroidisseur est multi-plaque, on peut ajuster la distance du refroidisseur vis-à-vis de la matière métallique des couches concernées pour avoir la température souhaitée pour les, notamment chaque, couche(s).
Le refroidisseur peut comporter une ou plusieurs parois formées par des plaques de cuivre intégrant des circuits refroidis par un liquide de refroidissement, notamment de l’eau ou du fluide caloporteur. La ou les parois du refroidisseur peuvent être formées par les circuits eux-mêmes disposés en serpentin.
Le refroidisseur appartient avantageusement à un système de refroidissement à puissance contrôlée comportant également un système de contrôle.
La température du liquide de refroidissement du refroidisseur, lorsque présente, est avantageusement contrôlée par le système de contrôle du système de refroidissement.
La puissance de soudage, généralement de 5kW, peut varier de 500 W à 50 kW selon les installations. On cherchera à dissiper entre 20% et 90 % de l’énergie ce qui correspond à environ une énergie à évacuer par exemple comprise entre 3kW et 50kW environ. La température du substrat en amont et au niveau des couches allant par exemple à une distance comprise entre 1 mm et 50 mm, notamment entre 5 mm et 15 mm, de préférence égale à 10 mm environ en amont de la couche en cours de dépôt n jusqu’à la couche n-5 est avantageusement contrôlée par le système de refroidissement. En particulier, la température du substrat, notamment dans la zone autour de la dernière couche déposée avant la couche en cours de dépôt et/ou la couche en cours de dépôt peut être contrôlée pour être comprise entre la température ambiante et 600°C. Il est à noter que le front thermique devance effet la couche n d’une distance comprise entre 1 mm et 50 mm, notamment entre 5 mm et 15 mm, de préférence égale à 10 mm environ.
L’étape a) peut être mise en œuvre de telle sorte que les couches sont déposées selon un plan non parallèle au substrat.
Le plan des couches déposées à l’étape a) forme alors, de manière préférée, un angle sensiblement orthogonal par rapport au substrat.
La première couche est de préférence déposée sur un substrat secondaire fixé sur le substrat, notamment à proximité d’une extrémité de celui-ci et s’étendant dans un plan sensiblement parallèle au plan des couches qui seront déposées et de préférence orthogonal au substrat. Chaque couche comporte avantageusement une extrémité, c’est-à-dire un bord de couche, soudée au substrat au moment de son dépôt.
Le refroidisseur peut être mobile selon un axe parallèle au substrat relativement à ce dernier, notamment parallèle à un axe longitudinal du substrat. Dans ce cas, le substrat peut comporter des points d’appui pour le déplacement relatif du refroidisseur. Le substrat peut former en lui-même une paroi fixe fermant d’un côté la zone de refroidissement.
Le procédé peut comporter l’étape consistant à injecter, à l’aide d’un diffuseur, un gaz inerte dans une cellule d’inertage incluant la zone de refroidissement pendant tout ou partie de la mise en œuvre des étapes a) et b). Le gaz inerte peut être injecté au moins dans la zone de refroidissement. Le gaz peut être diffusé à partir d’une zone située sous la zone de refroidissement, vers le haut.
Grâce à une telle étape, la zone pour l’inertage peut être réduite, tout en permettant d’éviter l’oxydation du métal déposé. Cela aboutit à réduire la quantité de gaz injecté au seul volume autour de la zone de refroidissement, ce qui permet de diminuer d’une part le coût en gaz et d’autre part le temps de remplissage par le gaz puisque le volume à remplir est réduit, temps pendant lequel on ne produisait pas dans l’art antérieur. De plus, on peut accéder à la pièce et à la torche, même pendant le dépôt de matière fondue.
La cellule d’inertage peut comprendre et entourer la zone de refroidissement et au moins partiellement le substrat. La cellule d’inertage peut se déployer au fur et à mesure de la mise en œuvre du procédé. Pour cela, la cellule d’inertage peut comporter au moins une cloison, notamment une cloison mobile relativement au substrat et/ou coulissante et/ou à soufflet.
Lorsque la cellule d’inertage comporte une cloison mobile relativement au substrat, cette dernière et/ou le substrat peu(ven)t se déplacer, tout au long du procédé de fabrication, de manière à ce que l’extrémité supérieure de la cloison reste à une distance prédéterminée, sensiblement fixe, de la couche en cours de dépôt.
Lorsque la cellule d’inertage comporte au moins une cloison coulissante, cette dernière peut être montée sur des rails et coulisser autour de la pièce en cours de fabrication pendant la durée du procédé. La cellule d’inertage peut encore comporter plusieurs cloisons coulissantes, qui coulissent une par une, par rapport aux autres, pour se déployer autour de la pièce au fur et à mesure de la mise en œuvre du procédé. Ainsi, une unique cloison peut être déployée au départ, puis, avec l’avancement du procédé, une deuxième cloison est déployée pour participer à délimiter la cellule d’inertage, en conservant une distance prédéterminée, sensiblement fixe, entre l’extrémité supérieure de la cellule d’inertage et la dernière couche déposée, etc. jusqu’au dépôt de la dernière couche de la pièce.
Lorsque la cellule d’inertage comporte une cloison à soufflet, le soufflet est, au début du procédé, peu ou pas déployé. Puis, au fur et à mesure de la mise en œuvre du procédé, la cloison à soufflet est déployée, notamment vers le haut, jusqu’à atteindre un état entièrement déployé à la fin de la réalisation de la pièce, en particulier en conservant une distance sensiblement fixe prédéterminée entre l’extrémité supérieure de la cloison à soufflet et la dernière couche déposée.
La distance sensiblement fixe prédéterminée entre l’extrémité supérieure de la cellule d’inertage et la dernière couche déposée peut être par exemple comprise entre 10 et 50 cm.
Le gaz inerte peut être refroidi à une température inférieure à la température ambiante à l’aide d’un groupe frigorigène ou par détente. La température du gaz inerte peut être inférieure d’au moins 100 °C à la température de la zone de refroidissement. Le débit de gaz inerte peut être supérieur ou égal à 1 m3/h. Le gaz peut être projeté sur la zone de refroidissement avec une vitesse d’au moins 0,001 m/s.
Le gaz inerte est de préférence choisi dans le groupe constitué par l’argon, l’hélium et l’azote. L’argon est environ 40% plus dense que l’air. Le diffuseur est par exemple un fritté métallique réfractaire ou en céramique et permet de créer une zone gazeuse exempte d’air et compatible avec une activité de soudage du titane, de ses alliages et des alliages de nickel.
Un ou plusieurs rideaux souples peuvent s’étendre par exemple à un ou plusieurs centimètres voire mètres autour de tout ou partie de la cellule d’inertage.
Grâce à l’invention, on délimite une zone relativement réduite autour de la pièce où l’on contrôle à la fois la température et le gaz présent.
Le métal est par exemple choisi dans le groupe constitué par le titane, les alliages de titane, les superalliages base nickel et les aciers.
Le métal peut être amené avant fusion sous forme de poudre, de fil, de feuillard, de barreau, ou tout autre forme.
On utilise par exemple une torche à souder pour déposer le métal en fusion à l’étape a). La technique peut encore mettre en œuvre un faisceau d’électrons, un laser, plasma ou arc.
Il est possible, grâce à l’invention, de réaliser de multiples pièces, en particulier des pièces, complexes ou non, qui sont de grande longueur, par exemple de longueur supérieure à 1 m, jusqu’à 50 m.
Dans un mode de réalisation particulier, la pièce est formée par dépôt de couches d’un premier côté du substrat et par dépôt de couches d’un deuxième côté du substrat, notamment opposé au premier côté. Dans ce cas, le dépôt de couches du premier côté peut être réalisé simultanément au dépôt de couches du deuxième côté. Toujours dans ce cas, le dépôt de couches du premier côté est par exemple réalisé de manière symétrique au dépôt de couches du deuxième côté.
Installation de fabrication additive
L’invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, une installation de fabrication additive pour la fabrication d’une pièce métallique sur un substrat, par apport d’au moins un métal en fusion, notamment pour la mise en œuvre du procédé tel que défini plus haut, l’installation comportant au moins un système d’apport et de dépôt d’un métal en fusion en couche par couche et un système de refroidissement comportant un refroidisseur mobile relativement au substrat délimitant une zone de refroidissement et configuré pour refroidir au moins la zone de refroidissement située au moins autour de la dernière couche déposée avant la couche en cours de dépôt et éventuellement autour de la couche en cours de dépôt.
Le refroidisseur peut être mobile selon un axe parallèle au substrat, relativement à ce dernier.
L’installation peut comporter un diffuseur de gaz inerte apte à diffuser un gaz d’inertage dans une cellule d’inertage comportant au moins la zone de refroidissement.
Le système de refroidissement peut comporter un système de contrôle apte à contrôler la température dans la zone délimitée par le refroidisseur, le système de contrôle étant par exemple apte à contrôler la mobilité selon un ou plusieurs axes du refroidisseur, notamment des parois du refroidisseur et/ou la température du liquide de refroidissement.
Pièce métallique
L’invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, en combinaison avec ce qui précède, une pièce métallique obtenue à l’aide du procédé tel que défini plus haut, réalisée en couche par couche sur le substrat, chaque couche s’étendant dans un plan sensiblement orthogonal au substrat.
Brève description des dessins
L’invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d’exemples de mise en œuvre non limitatifs de celle-ci, et à l’examen du dessin annexé, sur lequel :
[Fig 1] la figure 1 représente de manière schématique et en perspective un exemple d’installation pour la mise en œuvre d’un procédé de fabrication additive d'une pièce métallique selon l'art antérieur,
[Fig 2] la figure 2 représente, de manière schématique, partielle et en perspective, un exemple d’installation selon l’invention, pour la mise en œuvre d’un exemple de procédé de fabrication additive, selon l’invention, d’une pièce métallique sur un substrat, au début de celui-ci,
[Fig 3] la figure 3 est une vue similaire à la figure 2, après dépôt d’un certain nombre de couches, [Fig 4] la figure 4 est une vue similaire aux figures 2 et 3 vers la fin de la mise en œuvre du procédé,
[Fig 5] la figure 5 est une vue isolée, schématique et en perspective d’un exemple de refroidisseur monobloc pouvant être utilisé lors du procédé selon l’invention,
[Fig 6] la figure 6 représente de manière schématique, partielle et en perspective, une installation selon l’invention montrant un autre exemple de positionnement du refroidisseur lors de la mise en œuvre du procédé selon l’invention,
[Fig 7] la figure 7 représente de manière schématique et en perspective un autre exemple de mise en œuvre du procédé de fabrication additive selon l'invention,
[Fig 8] la figure 8 représente de manière schématique et en perspective un autre exemple de mise en œuvre du procédé de fabrication additive selon l'invention,
[Fig 9] la figure 9 représente de manière schématique et en perspective un autre exemple de mise en œuvre du procédé de fabrication additive selon l'invention,
[Fig 10] la figure 10 représente en vue en coupe longitudinale, schématique et partielle, un exemple d’installation pour la mise en œuvre du procédé selon l’invention,
[Fig 11] la figure 11 est une vue similaire à la figure 10 de la même installation après dépôt d'un certain nombre de couches,
[Fig 12] la figure 12 illustre de façon isolée et schématique en vue en coupe un exemple de cloison à soufflet pouvant être utilisée lors de la mise en œuvre du procédé selon l'invention,
[Fig 13] la figure 13 représente de manière schématique en vue de dessus un exemple de pièce pouvant être obtenue à l'aide du procédé sur l'invention,
[Fig 14] la figure 14 représente en coupe transversale selon XIV, de manière schématique, la pièce de la figure 13, entourée du refroidisseur,
[Fig 15] la figure 15 représente de manière schématique en coupe transversale un autre exemple de pièce pouvant être fabriquée avec le procédé selon l'invention,
[Fig 16] la figure 16 représente de manière schématique en coupe transversale un autre exemple de pièce pouvant être fabriquée avec le procédé selon l'invention,
[Fig 17] la figure 17 représente de manière schématique en coupe transversale un autre exemple de pièce pouvant être fabriquée avec le procédé selon l'invention,
[Fig 18] la figure 18 représente de manière schématique en coupe transversale un autre exemple de pièce pouvant être fabriquée avec le procédé selon l'invention, [Fig 19] la figure 19 représente de manière schématique en coupe transversale un autre exemple de pièce pouvant être fabriquée avec le procédé selon l'invention, et
[Fig 20] la figure 20 représente de manière schématique en coupe transversale un autre exemple de pièce pouvant être fabriquée avec le procédé selon l'invention.
Description détaillée
Dans la suite de la description, les éléments identiques ou de fonctions identiques portent le même signe de référence. A des fins de concision de la présente description, ils ne sont pas décrits en regard de chacune des figures, seules les différences entre les modes de réalisation étant décrites.
On a illustré à la figure 1 un exemple de mise en œuvre d'un procédé de fabrication additive utilisé dans l'art antérieur. On dépose sur un substrat S un métal M en fusion, par exemple un fil métallique fondu à l’aide d’une torche à souder, sous forme de couches C déposées les unes sur les autres sur le substrat S, selon l’axe longitudinal X de celui-ci et parallèlement à celui-ci. Le substrat S a une grande longueur, par exemple supérieure à 1 m. Les problèmes présentés précédemment conduisent, après une certaine hauteur de dépôt, à un effondrement de l’empilement des couches, à la création de déformations et/ou nécessitent d’interrompre le procédé après le dépôt de chaque couche.
Les figures 2 à 4 représentent un exemple de mise en œuvre du procédé selon l'invention avec une installation 1 conforme à un mode de réalisation de l'invention pour la réalisation par fabrication additive d’une pièce métallique 50. Il s’agit dans cet exemple de créer une nervure 11 de renfort, ou raidisseur, sur un substrat 2 et le long de celui-ci. Le substrat 2 est de grande longueur, présentant par exemple une longueur supérieure à 1 m. La pièce métallique 50 comporte la nervure 11 et le substrat 2. Une torche à souder dépose du métal fondu M sous forme de couches 14, en couche par couche, pour former la pièce.
L’installation 1 comporte un refroidisseur 5, mobile relativement au substrat 2, mais fixe relativement à la couche 14, dite n, en cours de dépôt à un instant donné. Autrement dit, le refroidisseur 5 se déplace au fur et à mesure du dépôt des couches pour être fixe relativement à la couche en cours de dépôt.
Le refroidisseur 5 délimite une zone de refroidissement 8 lors du dépôt des couches 14 comme visible sur les figures 3 et 4, autour au moins de la dernière couche 14 déposée n-1 et éventuellement de la couche 14 en cours de dépôt n afin d'obtenir une température optimale au sein de cette zone de refroidissement 8 et de dissiper la chaleur du métal en fusion M déposé en couche par couche, au fur et à mesure de la construction de la pièce métallique 50.
Dans l’exemple illustré, le refroidisseur 5 délimite une zone de refroidissement 8 qui entoure les n-5 couches 14 déposées avant la couche 14 en cours de dépôt n. La zone de refroidissement 8 comporte au moins une zone périphérique de la dernière couche déposée n-1 avant la couche en cours de dépôt n, transversalement à celle-ci, ainsi qu’une zone périphérique d’au moins une partie des n-1 couches, dans cet exemple entre 1 et 5 couches, sur une hauteur comprise entre 2 et 10 mm environ.
Dans l’exemple illustré sur les figures 2 à 4, le refroidisseur 5 comporte une pluralité de parois formant des plaques 6, au nombre de trois dans cet exemple, à savoir une plaque 6a extérieure, disposée du côté opposé par rapport au substrat 2 et des plaques 6b et 6c, parallèles entre elles dans cet exemple, entourant latéralement les couches 14 parallèlement à l’axe Y. Les plaques 6 s'étendent dans un plan vertical dans l'exemple illustré, perpendiculairement au plan des couches 14. Le refroidisseur 5 est dans cet exemple multi-plaque. Chaque plaque 6 peut consister en une plaque de cuivre intégrant des circuits refroidis par un liquide de refroidissement, notamment de l’eau ou du fluide caloporteur.
Comme visible sur les figures 2, 3 et 4, le refroidisseur 5 est fixe relativement à la dernière couche 14 déposée n-1 avant la couche 14 n en cours de dépôt, entourant toujours celle-ci ainsi qu’ éventuellement la couche en cours de dépôt n et/ou une ou plusieurs couches précédentes. Le refroidisseur 5 peut être fixé au support de la torche à souder et se déplacer solidairement à celle-ci, au cours de la mise en œuvre du procédé.
Dans un autre mode de réalisation non illustré, c’est le substrat 2 qui est mobile au cours de la mise en œuvre du procédé, tandis que le refroidisseur 5 reste fixe, de même que la torche à souder par exemple.
Le refroidisseur 5 appartient à un système de refroidissement 7 qui comporte en outre un système de contrôle 20, représenté en pointillés sur la figure 2, formé par exemple par un ordinateur distant, permettant de contrôler la température des plaques 6 et donc de la zone de refroidissement 8, de manière à ce que cette dernière permette un refroidissement de la couche n ou de la couche n-1 et éventuellement des couches sous la couche n-1, par exemple jusqu’à la couche n-5.
Dans l’exemple illustré, on dépose les couches 14 non pas parallèlement au substrat 2 comme dans l’art antérieur, mais avec un angle. Dans cet exemple, les couches 14 sont déposées perpendiculairement au substrat 2 s’étendant selon l’axe X. Chaque couche 14 comporte deux bords 9 opposés, un bord 10 libre et un bord 12 en contact avec le substrat 2. Le bord 12 d’extrémité de chaque couche 14 est soudé au substrat 2 au cours du dépôt de la couche 14.
Dans l’installation 1, comme visible, le substrat 2 est positionné verticalement. Il pourrait être disposé de manière inclinée sans sortir du cadre de l’invention.
Un substrat secondaire 3, visible sur la figure 2, est fixé, par exemple par soudure, à proximité de l'extrémité inférieure du substrat 2, orthogonalement à celui-ci, selon un axe Y. Le substrat secondaire 3 peut présenter une surface de base 4 correspondant à la superficie de chaque couche 14 de métal à déposer lors du procédé de fabrication additive. La surface de base 4 peut en variante présenter une surface supérieure à celle de chaque couche 14.
Le métal déposé est dans cet exemple un alliage à base de titane, mais il pourrait constituer un superalliage base nickel ou tout autre alliage métallique soudable sans sortir du cadre de l’invention. Le métal est apporté sous forme de fil dans cet exemple. Le métal M est fondu dans cet exemple à l’aide d’une torche à souder dont une partie seulement est représentée dans un souci de clarté du dessin.
Dans le cas présent, on cherche à maintenir la température dans la zone de refroidissement 8 à une température comprise entre la température ambiante et 600°C, notamment entre 100°C et 300°C. Les distances d respectives entre les plaques 6a et 6b et les bords 9 respectifs des couches 14 déposées peuvent être comprises environ entre 0 et 2 mm. De préférence, un contact est assuré entre les plaques 6a et 6b et les bords 9 respectifs pour un échange par conduction.
On peut moduler cette distance d pour ajuster la température au sein de la zone de refroidissement 8 délimitée par le refroidisseur 5. On peut encore moduler la surface du refroidisseur et son flux thermique de dissipation en kW/h.
Dans cet exemple, le refroidisseur 5 se déplace de telle sorte que la zone de refroidissement 8 a un volume constant sauf modulation de la distance entre les plaques 6b, respectivement 6c, et le bord 9 correspondant des couches déposées n-1, etc.
Le refroidisseur 5 est multi-plaque dans l’exemple des figures 2 à 4. Dans l’exemple de la figure 5, le refroidisseur 5 est monobloc, présentant une forme globale et une ouverture traversante 21 lui permettant d’entourer le substrat 2 et les couches 14 et de définir la zone de refroidissement 8.
Dans une autre variante de refroidisseur 5 sous forme multi-plaque, le refroidisseur 5 pourrait comporter une quatrième plaque 6d parallèle à la plaque 6a mais située à l'autre extrémité des plaques 6b et 6c pour se trouver face au bord 10 libre de la nervure 11 en cours de construction. Cela pourrait permettre de fermer entièrement, latéralement, la zone de refroidissement 8.
Une telle plaque 6d est présente dans l'exemple de réalisation de la figure 6. De plus, dans cet exemple, la zone de refroidissement 8 délimitée autour de la couche n-1 et des couches précédemment déposées s’étend également autour et au-dessus de la couche n en cours de dépôt selon l'axe longitudinal X du substrat 2.
On a représenté sur les figures 7 et 8, la possibilité de réaliser de part et d'autre du même substrat 2 deux nervures 11, référencées 1 la et 11b, disposées symétriquement ou non par rapport au substrat 2. La technique utilisée pour chaque côté est la même que définie plus haut, selon l’invention.
Dans l'exemple de la figure 7, l’avancement d’un côté et de l’autre n'est pas le même, la nervure lia étant réalisée avant l’autre. Deux refroidis seurs 5 sont prévus, référencés 5a et 5b. Les refroidis seurs 5 ne comportent chacun que deux plaques 6b et 6c, et sont mobiles en déplacement indépendamment l’un de l’autre, relativement au substrat 2.
Dans l'exemple de la figure 8, les nervures lia et 11b sont formées simultanément et les refroidis seurs 5a et 5b sont mobiles de manière simultanée. On pourrait même n’avoir qu’un seul refroidisseur 5 dans ce mode de réalisation, selon une variante.
L'exemple de la figure 9 illustre la possibilité de déposer un métal non pas sous forme de fil en fusion mais sous forme de barreaux 13 venant se déposer à l’état fondu. Cela permet notamment d'augmenter la cadence de dépôt des couches 14.
Grâce à l'invention, l'accès aux couches lors du dépôt n'est pas gêné par le refroidisseur 5 qui, avec la zone de refroidissement 8 qu’il délimite, n'enferme que latéralement la zone avec la couche n-1 déposée, éventuellement la couche n en cours de dépôt, les couches déjà déposées sous-jacentes et éventuellement une zone au-dessus de la couche n en cours de dépôt.
On a illustré sur les figures 10 et 11 un autre exemple d’installation 1 pour la mise en œuvre du procédé selon l’invention, comportant, outre le système de refroidissement 7, un système d’inertage 15 avec injection de gaz inerte, dans cet exemple constitué par de l’argon. L’injection se fait dans cet exemple depuis le bas à l’aide d’un diffuseur vers une cellule d’inertage 22 incluant la zone de refroidissement 8 délimitée par le refroidisseur 5 représenté en pointillés, et la zone autour de cette zone de refroidissement 8, dans la direction illustrée par les flèches, c’est-à-dire vers le haut.
La figure 10 illustre le début de la mise en œuvre du procédé selon l’invention, le nombre de couches déposées étant faible, tandis que la figure 11 représente l’installation après mise en œuvre du procédé sur un grand nombre de couches.
Dans l'exemple des figures 10 et 11, la cellule d’inertage 22 est délimitée par au moins une, notamment plusieurs cloisons 26 qui peuvent coulisser les unes par rapport aux autres de façon télescopique, afin d'étendre la cellule d’inertage 22 au fur et à mesure de la mise en œuvre du procédé. Les cloisons 26 sont superposées latéralement au départ. Elles s’étendent alors sur une hauteur h égale à la hauteur d’une cloison 26 sur la figure 10. Sur la figure 11, la cloison 26i située à l’extérieur a coulissé vers le haut de manière à ce que la hauteur totale soit la hauteur h; supérieure à la hauteur h. La cellule d’inertage 22 s'est donc étendue dans cet exemple au cours de la mise en œuvre du procédé de fabrication additive selon l’invention.
On note que la distance D entre l’extrémité supérieure 25 de la cellule d’inertage 22 et donc de la plus haute cloison 26 et la couche en cours de dépôt n peut être constante et prédéterminée au cours du procédé de mise en œuvre selon l’invention, ayant par exemple une valeur comprise entre 10 et 50 cm.
Il peut bien entendu y avoir un nombre de cloisons 26, coulissant les unes par rapport aux autres, supérieur à deux de chaque côté sans sortir du cadre de l'invention.
Sur la figure 12, on a représenté isolément une cloison 26 à soufflet partiellement déployée pour permettre de s’étendre afin de délimiter la cellule d’inertage 22, afin de remplacer les cloisons 26 des figures 10 et 11.
Sur les figures 13 et 14, on a représenté une pièce métallique 50 avec une nervure 11 de forme pyramidale comme visible. On adaptera bien entendu le dépôt des couches en fonction de cette forme pyramidale. Les plaques 6 du refroidisseur 5 peuvent être, comme illustré sur cette figure, disposées parallèlement aux bords 9 de la nervure 11.
D'autres exemples de pièces métalliques 50 selon l’invention réalisées selon le procédé conforme à l’invention ont été illustrés sur les figures 15 à 20. Dans l'exemple de la figure 15, la nervure 11 vue de dessus change de dimension en hauteur et en épaisseur sur l’axe X, avec une partie 17 plus massive que la partie 16.
Dans l'exemple de la figure 16, la nervure 11 est en forme de pyramide inversée.
Dans l'exemple de la figure 17, la nervure 11 comporte deux parties 18 et 19 formant un angle entre elles. Dans ce cas, les plaques 6 du refroidis seur 5 peuvent présenter des angles de manière à avoir en tout point de la plaque 6 une distance constante relativement au bord 9 et éventuellement 10 de la nervure 11.
Dans l'exemple de la figure 18, la nervure 11 présente une forme incurvée. Dans ce cas, on adaptera également la forme des plaques 6 à cette forme incurvée pour conserver au sein de la zone de refroidissement 8 délimitée par le refroidisseur 5 une plage de températures prédéterminée.
Dans l'exemple de la figure 19, on a deux substrats 2 disposés l’un contre l’autre et supportant chacun une nervure 11 présentant un angle, de manière non symétrique. On ne sort pas du cadre de l’invention si les nervures 11 sont symétriques entre elles.
Sur la figure 20, les substrats 2 sont disjoints contrairement à la figure 19. Entre les substrats 2 a été intégrée une partie du refroidisseur 5 sous forme d'une plaque. Les nervures 11 dans cet exemple comportent une excroissance 19.
Dans tous ces exemples, on adapte bien entendu la forme du refroidisseur 5 et des plaques 6 pour avoir, dans la zone de refroidissement 8, la température souhaitée.
L’invention n’est pas limitée aux exemples qui viennent d’être décrits. En particulier, un mode de réalisation selon l’invention peut être celui de la figure 1, incluant un refroidisseur 5 comme décrit plus haut.
Le substrat 2 peut être mobile et le refroidisseur 5 peut être fixe, au cours de la mise en œuvre du procédé.
Le métal peut être sous forme de poudre, de fil, de barreau, de feuillard ou sous une autre forme.
Les couches 14 peuvent être déposées dans un plan incliné non orthogonal par rapport au plan du substrat 2. Le substrat secondaire 3 peut former un angle non droit avec le substrat 2.

Claims

Revendications
1. Procédé de fabrication additive d’une pièce métallique (50) sur un substrat (2), par apport d’au moins un métal en fusion, en couche par couche, le procédé comportant les étapes suivantes : a) Etape a : déposer en couche par couche le métal en fusion, b) Etape b : simultanément à l’étape a), refroidir, à l’aide d’un refroidisseur (5) mobile relativement au substrat (2), une zone de refroidissement (8) située au moins autour de la dernière couche déposée ( n-1 ) avant la couche en cours de dépôt (n).
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la zone de refroidissement (8) comporte au moins une zone périphérique de la dernière couche déposée (n-1) avant la couche en cours de dépôt ( n ), transversalement à celle-ci, ainsi qu’une zone périphérique d’au moins une partie des n-1 couches déposées avant la couche en cours de dépôt ( n ), et/ou une zone située au-dessus d’une zone périphérique de la dernière couche déposée (n-1), n étant notamment compris entre 1 et 5.
3. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le refroidisseur (5) est monobloc.
4. Procédé selon l’une des revendications 1 et 2, dans lequel le refroidisseur (5) comporte une pluralité de parois formant des plaques (6).
5. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel on ajuste la distance de ladite au moins une plaque (6) vis-à-vis de la matière métallique des couches concernées pour avoir la température souhaitée pour les, notamment chaque, couche(s).
6. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’étape a) est mise en œuvre de telle sorte que les couches sont déposées dans un plan non parallèle au substrat (2).
7. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel le plan des couches déposées à l’étape a) forme un angle sensiblement orthogonal par rapport au substrat (2).
8. Procédé selon l’une des deux revendications immédiatement précédentes, dans lequel la première couche est déposée sur un substrat secondaire (3) fixé sur le substrat (2) et s’étendant dans un plan sensiblement parallèle au plan des couches qui seront déposées et de préférence orthogonal au substrat (2).
9. Procédé selon la revendication 6 et éventuellement l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le refroidisseur (5) est mobile selon un axe (X) parallèle au substrat (2) relativement à ce dernier.
10. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant l’étape consistant à injecter, à l’aide d’un diffuseur, un gaz inerte dans une cellule d’inertage (22) incluant la zone de refroidissement (8) pendant tout ou partie de la mise en œuvre des étapes a) et b).
11. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la pièce (50) est formée par dépôt de couches d’un premier côté du substrat (2) et par dépôt de couches d’un deuxième côté du substrat (2), notamment opposé au premier côté.
12. Installation (1) de fabrication additive pour la fabrication d’une pièce métallique (50) sur un substrat (2), par apport d’au moins un métal en fusion, notamment pour la mise en œuvre du procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, l’installation (1) comportant un système d’apport et de dépôt d’un métal en fusion en couche par couche et un système de refroidissement (7) comportant un refroidisseur (5) mobile relativement au substrat (2) délimitant une zone de refroidissement (8) et configuré pour refroidir au moins la zone de refroidissement (8) située au moins autour de la dernière couche déposée ( n-1 ) avant la couche in) en cours de dépôt.
13. Installation (1) selon la revendication précédente, le refroidisseur (5) étant mobile selon un axe (X) parallèle au substrat, relativement à ce dernier.
14. Installation (1) selon la revendication 12 ou 13, comportant un diffuseur de gaz inerte apte à diffuser un gaz d’inertage dans une cellule d’inertage (22) comportant au moins la zone de refroidissement (8).
15. Pièce métallique (50) obtenue à l’aide du procédé selon la revendication 7 et selon l’une quelconque des revendications I à 5 et 8 à ll, réalisée en couche par couche sur le substrat (2), chaque couche s’étendant dans un plan sensiblement orthogonal au substrat (2).
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