EP4719706A1 - Installation de decoupe, soudage, rechargement ou fabrication additive metallique par faisceau laser comprenant une enceinte d'inertage et un robot dont l'effecteur terminal est loge dans l'enceinte - Google Patents

Installation de decoupe, soudage, rechargement ou fabrication additive metallique par faisceau laser comprenant une enceinte d'inertage et un robot dont l'effecteur terminal est loge dans l'enceinte

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EP4719706A1
EP4719706A1 EP24731251.5A EP24731251A EP4719706A1 EP 4719706 A1 EP4719706 A1 EP 4719706A1 EP 24731251 A EP24731251 A EP 24731251A EP 4719706 A1 EP4719706 A1 EP 4719706A1
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EP
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robot
inerting
installation
enclosure
laser
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EP24731251.5A
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Inventor
Lucas BRIZZI
Gilles FONDANT
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Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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Publication date
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Abstract

L'invention concerne une installation (1) de découpe, soudage, rechargement ou fabrication additive par faisceau laser, intégrant une robotisation (4) tout en garantissant un inertage dans l'enceinte d'inertage (10) dans laquelle le faisceau laser est mis en oeuvre pour la fabrication, avec de très faibles valeurs en O2 et H2O.

Description

Description
Titre de l’invention : Installation de découpe, soudage, rechargement ou fabrication additive métallique par faisceau laser comprenant une enceinte d’inertage et un robot dont l’effecteur terminal est logé dans l’enceinte.
Domaine technique
[0001] La présente invention concerne principalement le domaine de la fabrication additive métallique.
[0002] Plus particulièrement, l’invention a trait à une amélioration par robotisation d’un procédé de fabrication additive mettant en œuvre un faisceau laser au sein d’une enceinte d’inertage.
[0003] Bien que décrite en particulier en référence à un procédé de fabrication additive métallique par laser avec apport de fil, d’acronyme anglo-saxon WLAM pour « Wire Laser Additive Manufacturing », l’invention concerne de manière plus générale tout procédé de découpe de soudage, de rechargement, de fabrication additive métallique, par faisceau laser dans tous les domaines industriels, d’ingénieries et de fabrications de pièces, notamment dans le domaine nucléaire.
Technique antérieure
[0004] Le procédé WLAM est un procédé relativement récent en cours de développement. Un tel procédé permet de concevoir des pièces ou des formes à partir d’un logiciel de dessin. Une pièce est produite par strates de façon à obtenir les couches les plus fines possibles. Les couches sont ensuite déposées successivement par le système de fabrication additive. Ainsi, le procédé WLAM est comparable à l’impression 3D traditionnelle, mais avec l’utilisation d’un fil métallique fondu par laser au lieu de fil plastique fondu par buse.
[0005] Comparé aux technologies de fusion sélective par laser, d’acronyme anglo-saxon SLM pour «Selective Laser Melting » et de dépôt par fusion laser de poudre, d’acronyme anglo-saxon LMD pour « Laser Melting Deposition », un procédé WLAM présente de nombreux avantages, notamment le fait qu’il est parfaitement adapté pour concevoir des pièces de grandes dimensions et qu’il pourrait répondre à des cadences de production élevées. Le laser emploie des spots de 1 à 2 mm, produisant une chaleur beaucoup plus localisée. Un procédé WLAM permet ainsi de construire des pièces qu’on ne pourrait pas construire avec un procédé par fabrication additive arc-fil, d’acronyme anglo-saxon WAAM pour « Wire Arc Additive Manufacturing ».
[0006] De plus, l’utilisation de fil permet de garantir un rendement matière de 100%. [0007] En outre, dans un procédé WLAM, les risques liés à l’utilisation d’une poudre sont écartés. Un procédé WLAM permet ainsi une réduction importante des coûts liés aux équipements de protection individuels et au suivi santé des opérateurs.
[0008] Malgré tous les avantages précités, le niveau de maturité technologique d’un procédé WLAM est moins élevé que pour le procédé WAAM.
[0009] De manière générale, les procédés de soudage et de fabrication additive métallique utilisant un laser diffèrent principalement des procédés à arc tels que le soudage TIG, acronyme anglo-saxon pour « Tungsten Inert Gas » ou MIG acronyme anglo-saxon pour « Metal Inert Gas», en ce qu’ils sont réalisés à de plus grandes vitesses de soudage, de plus grandes densités de puissance et à des températures de fusion plus élevées.
[0010] Cela implique d’importants gradients de température autour du bain de fusion en- trainant, par convexion, du gaz pollué autour du bain de fusion. Cela génère des impuretés qui nuisent aux performances techniques des pièces réalisées : apparition de fissures, crevasses, bulles, impuretés, etc.
[0011] En particulier, on constate dans le cas d’un procédé WLAM que les solutions habituellement employées pour réaliser un inertage ne permettent pas de limiter les défauts évoqués ci-dessus. On rappelle ici que l’inertage consiste à utiliser des gaz neutres tels que l’argon, l’azote, ou l’hélium. Ces gaz neutres peuvent permettre d’assurer la qualité des pièces réalisées en protégeant les matériaux en fusion lors de la production. Il permet également de contrôler l’atmosphère lors du processus d’impression additive.
[0012] L’inertage actuel nécessite de pulvériser de très grandes quantités de gaz pour des résultats mitigés. De plus, le gaz neutre (argon, azote) utilisé est perdu en se dispersant dans l’atmosphère.
[0013] Par ailleurs, les critères de qualité requis dans certains domaines d’application, comme celui des énergies bas carbone (nucléaire ou non), requièrent l’absence de défauts dans les pièces réalisées, parfois fabriquées dans des alliages spéciaux. Cela implique un inertage à proximité du bain de fusion avec des valeurs très faibles en O2 et H2O, typiquement inférieures à 10 ppm.
[0014] Or, à ce jour, ces valeurs peuvent être uniquement obtenues dans une enceinte d’inertage hermétique qui est rigide, c’est-à-dire avec des parois qui la délimitent qui sont rigides.
[0015] On a représenté à la [Eig.l], une telle enceinte rigide 10 selon l’état de l’art, de forme générale en parallélépipède rectangle : elle est délimitée par quatre parois latérales 11, 12, 13, 14, une paroi inférieure 15, et une paroi supérieure 16. Pour pouvoir déplacer aisément l’enceinte, celle-ci peut être munie de pieds à roulettes 17. Des hublots 18 sont destinés à recevoir des gants, non représentés pour manipuler les pièces, des outils, des fabrications, et permettre de réaliser des maintenances sur la tête de fa- brication additive. Les pièces fabriquées peuvent être évacuées, si leurs tailles le permettent, par un sas, qui est la fonction de la partie en « saillie » sur l’extérieur.
[0016] Par ailleurs, une robotisation des installations de découpe, soudage, rechargement ou de fabrication additive laser permettrait d’assurer de grands déplacements en trois dimensions et permettrait ainsi de réaliser rapidement des pièces volumiques métalliques finies aux géométries complexes.
[0017] Il est connu des enceintes d’inertage comprenant un robot en leur sein. Le volume d’inertage est alors sensiblement plus grand rendant l’inertage de l’enceinte plus long et plus onéreux.
[0018] Il existe donc un besoin d’améliorer les installations de découpe, soudage, ou fabrication additive mettant en œuvre un faisceau laser, afin de les robotiser tout en les rendant compatibles avec une mise en œuvre en enceinte d’inertage, avec des valeurs très faibles en O2 et H2O, typiquement inférieures à 10 ppm qui permettent d’augmenter la qualité des bains de fusion, d’accroitre la résistance mécanique des pièces fabriquées pour respecter au mieux les normes en vigueurs.
[0019] Le but de l’invention est de répondre au moins en partie à ce besoin.
Exposé de l’invention
[0020] Pour ce faire, l’invention concerne, sous l’un de ses aspects, une installation de découpe, soudage, rechargement ou fabrication additive par faisceau laser, comprenant
[0021] - une enceinte d’inertage, sous atmosphère inerte, logeant un support d’une pièce à réaliser par découpe, soudage, rechargement ou fabrication additive, l’enceinte d’inertage étant délimitée par au moins une paroi rigide et une jupe souple d’étanchéité fixée de manière étanche à moins une paroi rigide ;
[0022] - un effecteur terminal de robot comprenant un support au moins une partie, de préférence sa tête, d’au moins un laser adapté pour émettre un faisceau de découpe, soudage ou fabrication additive et au moins une bride étanche de fixation, fixée ou réalisée intégralement avec le support et sur laquelle la jupe souple d’étanchéité est fixée de manière étanche;
[0023] - un robot auquel est fixé l’effecteur terminal de robot, le robot étant adapté pour permettre un mouvement de l’effecteur terminal à l’intérieur de l’enceinte, selon l’une et/ou l’autre des trois directions orthogonales (X, Y, Z).
[0024] Le gaz d’inertage à injecter peut être de l’argon ou de l’azote.
[0025] Selon un mode de réalisation avantageux, l’enceinte comprend cinq parois rigides délimitant un parallélépipède droit à l’exception de l’ouverture supérieure à laquelle est fixée de manière étanche la jupe souple.
[0026] Avantageusement, le robot est un robot à bras articulé à six axes. [0027] Selon une variante de réalisation avantageuse, la bride étanche de fixation loge au moins un passage étanche de câble(s) ou fibre(s) d’alimentation du laser, d’alimentation électrique, d’amenée de fluides, notamment le gaz d’inertage, de câble(s) de contrôle et/ou d’instrumentation.
[0028] Selon cette variante, la bride étanche de fixation loge en outre un passage étanche de dévidoir de fil à faire fondre par le laser pour le soudage ou la fabrication additive, le dévidoir étant fixé au support de l’effecteur terminal.
[0029] De préférence, la bride étanche de fixation est de forme générale circulaire, dont la périphérie est fixée de manière étanche à la jupe souple.
[0030] De préférence encore, le laser est supporté de sorte que l’axe du faisceau qu’il émet est centre sur le centre de la bride étanche de fixation.
[0031] Selon un autre mode de réalisation avantageux, l’installation comprend au moins une unité de contrôle-commande pour commander au moins le laser, l’alimentation du gaz d’inertage et de préférence le déplacement du robot et par-là de l’effecteur terminal dans l’enceinte.
[0032] Dans une configuration avantageuse, l’étanchéité entre la jupe souple et la(les) paroi(s) rigide(s) d’une part, et la bride étanche de fixation d’autre part est telle que les valeurs en O2 et H2O sont inférieures à 10 ppm au sein de l’enceinte d’inertage.
[0033] Les procédés de découpe, soudage et fabrication additive mettant en œuvre un laser selon l’état de l’art, permettent d’atteindre des vitesses de travail élevées à de hautes températures.
[0034] En revanche, il a été constaté que ces procédés génèrent plus ou moins de pollutions, notamment poussière(s) et/ou de fumée(s) issue(s) du bain de fusion généré par le laser, et ce en fonction des matériaux fondus.
[0035] Les inventeurs ont réalisé des analyses thermodynamiques de gaz d’inertage qui ont montré que les flux, très chauds, sont violement perturbés et n’assurent pas au mieux ce à quoi ils sont dédiés, ce qui détériore la qualité de l’inertage, et donc est susceptible d’engendrer des défauts lors de la fabrication.
[0036] Or, les critères de qualité requis dans certains domaines exigent l’absence de défauts dans les pièces réalisées, parfois fabriquées dans des alliages spéciaux.
[0037] Cela implique nécessairement que la réalisation de ces pièces soit faite avec un inertage à proximité du bain de fusion avec des valeurs très faibles, en O2 et H2O, typiquement inférieures à 10 ppm.
[0038] A ce jours, ces valeurs peuvent être uniquement obtenues dans une enceinte d’inertage hermétique rigide.
[0039] Par ailleurs, la robotisation des installations de soudage et de fabrication additive laser actuelles, garantit de grands déplacements en trois dimensions et permet ainsi de réaliser rapidement des pièces volumiques métalliques finis aux géométries complexes. [0040] L’invention consiste essentiellement à intégrer une robotisation dans une installation tout en garantissant un inertage dans l’enceinte d’inertage dans laquelle le faisceau laser est mis en œuvre pour la fabrication, avec de très faibles valeurs en O2 et H2O.
[0041] Les avantages de l’invention sont nombreux parmi lesquels on peut citer :
- la possibilité de déplacer une tête de laser de découpe, de soudage, rechargement ou de fabrication additive laser dans les trois directions X, Y, Z, tout en garantissant l’étanchéité de l’ensemble de l’enceinte d’inertage et donc un inertage constant ;
- la possibilité de réaliser des pièces de grandes dimensions spécifiques et/ou de formes complexes ;
- la possibilité de sortie des pièces fabriquées par un des sas à travers une paroi rigide de l’enceinte permettant ainsi de recycler de grands volumes de gaz dans cette dernière;
- une amélioration de la qualité des soudures et des pièces réalisées avec les procédés de découpe, ou de soudage par faisceau laser et de fabrication additive métallique laser ;
- une facilité d’utilisation et une adaptabilité aux multiples procédés avec tous types de robots industriels disponibles, en standardisant l’ensemble des pièces, brides, joints, mécanismes qui peuvent être nécessaires au fonctionnement d’une installation selon l’invention
- un démontage facile et rapide, typiquement d’environ 15 minutes, dans le cas d’un changement d’environnement, d’outils ou simplement pour le changement de la jupe d’étanchéité souple en cas de détérioration. Cet avantage et primordial pour l’industrie qui est contrainte par les coûts élevés d’immobilisation ;
[0042] Les applications potentielles de l’invention décrite, sont que son installation peut être réalisée sur tous les types d’enceintes/chambres d’inertage hermétique initialement rigides existantes.
[0043] Toutes les applications industrielles de soudage et de fabrication additive laser sont concernées, particulièrement le nucléaire, l’aéronautique, le naval, l’automobile.
[0044] D’autres avantages et caractéristiques de l’invention ressortiront mieux à la lecture de la description détaillée d’exemples de mise en œuvre de l’invention faite à titre illustratif et non limitatif en référence aux figures suivantes.
Brève description des dessins
[0045] [Fig.l] la [Fig.l] est une vue en perspective d’une enceinte d’inertage hermétique selon l’état de l’art.
[0046] [Fig.2] la [Fig.2] est une vue en perspective d’une installation de fabrication additive métallique par laser, à enceinte d’inertage hermétique et robot à bras articulé selon l’invention.
[0047] [Eig.3] la [Eig.3] est une vue en coupe transversale partielle d’une installation selon la [Fig.2],
[0048] [Fig.4A], [Fig.4B] les figures 4A et 4B sont des vues en perspective d’un effecteur terminal du robot de l’installation selon les figures 2 et 3.
[0049] [Fig.5] la [Fig.5] reprend la [Fig.2], sans la présence de la paroi supérieure de l’enceinte et de la jupe d’étanchéité avec l’extérieur.
Description détaillée
[0050] Dans l’ensemble de la présente demande, les termes «inférieur», «supérieur », «en-dessous» et «en-dessus » sont à comprendre par référence par rapport à une enceinte d’inertage d’une installation selon l’invention, telle qu’elle est en configuration horizontale de fonctionnement.
[0051] Par souci de clarté, un même élément selon l’état de l’art et selon l’invention est désigné par une même référence numérique.
[0052] La [Fig.l] a déjà été décrite en préambule. Elle ne sera donc pas détaillée ci-après.
[0053] On a représenté en figures 2 et 3, une installation 1 de fabrication additive métallique par laser selon l’invention.
[0054] Cette installation comprend tout d’abord une enceinte d’inertage 10, sous atmosphère inerte, logeant un support, non représenté, d’une pièce à réaliser par fabrication additive. L’atmosphère inerte peut être contrôlée au moyen d’un capteur d’oxygène et avantageusement en eau. La température au sein de l’enceinte peut être contrôlée au moyen d’un capteur de température. Avantageusement, l’humidité au sein de l’enceinte peut être contrôlée au moyen d’un capteur H2O.
[0055] L’enceinte d’inertage 10 comprend cinq parois rigides 11, 12, 13, 14, 15 délimitant un parallélépipède droit à l’exception de l’ouverture supérieure à laquelle est fixée de manière étanche, la périphérie 20 d’une jupe souple 2 d’étanchéité.
[0056] La partie centrale 21 ajourée de la jupe d’étanchéité 2 est fixée de manière étanche à un effecteur de robot 3. Plus précisément, la fixation de cette partie centrale ajourée 21 est réalisée sur une bride étanche de fixation 30 de l’effecteur terminal 3, de forme générale circulaire.
[0057] L’étanchéité entre la jupe souple 2 et les parois rigides 11, d’une part, et la bride étanche de fixation d’autre part est telle que les valeurs en O2 et H2O sont inférieures à 10 ppm au sein de l’enceinte d’inertage.
[0058] La jupe souple 2 résiste aux températures élevées en garantissant l’étanchéité de l’enceinte d’inertage. La jupe 2 peut être en polymère souple pour donner suffisamment de degrés de liberté au bras du robot de telle sorte qu’il puisse amener l’effecteur terminal dans n’importe quel endroit à l’intérieur de l’enceinte d’inertage. Les joints faisant l’étanchéité entre la jupe 2 et la partie rigide de l’enceinte ainsi qu’entre la jupe et l’effecteur terminal 3 sont de préférence en nitrile.
[0059] Cet effecteur de robot 3 comprend un support 31 de la tête d’un laser 5 adapté pour émettre un faisceau de découpe, soudage ou fabrication additive, et fixé ou réalisé intégralement avec la bride de fixation 30.
[0060] Un robot 4 à bras articulé 40, de préférence à six axes est agencé avec sa base 41 à proximité de l’enceinte d’inertage 10.
[0061] L’effecteur terminal 3 est fixé au poignet d’extrémité 42 du robot 4.
[0062] Ainsi, le robot 4 permet un mouvement de l’effecteur terminal 3 et donc de la tête de laser 5 selon l’une et/ou l’autre des trois directions orthogonales (X, Y, Z) à l’intérieur de l’enceinte. La jupe souple 2, telle que fixée, se déforme tout en garantissant une étanchéité pendant les mouvements du robot 4 et de l’effecteur 3 qui y est fixé.
[0063] L’effecteur terminal 3 est montré plus en détail en figures 4A et 4B.
[0064] Le support 31 intègre une bride de fixation 32 au poignet d’extrémité 42 de robot.
[0065] La bride étanche de fixation 30 à la jupe 2 loge un passage étanche 33 de câble(s) ou fibre(s) d’alimentation du laser, d’alimentation électrique, d’ amenée de fluides, notamment le gaz d’inertage, de câble(s) de contrôle et/ou d’instrumentation. Cette bride étanche 30 peut être une bride normalisée, standard. La bride étanche 30 comprend un ensemble de passages de câble étanches permettant d’amener à l’effecteur terminal 3 tous les éléments indispensables à son bon fonctionnement, comme par exemple : la fibre optique, le fil d’apport, les alimentations en gaz, etc. Cette bride permet également d’amener au niveau de l’effecteur terminal des capteurs pour le contrôle des conditions d’ambiance de l’enceinte d’inertage comme des capteurs O2 et H2O. Le passage de câble étanche33 peut permettre de passer des câbles pour de l’instrumentation comme des capteurs thermiques. Cette bride étanche de fixation 30 peut loger en outre un passage étanche 35 d’un dévidoir de fil 6 à faire fondre par le laser pour le soudage ou la fabrication additive, le dévidoir étant fixé au support 31 de l’effecteur terminal 3.
[0066] Le contrôle de la source laser 5 se fait par un signal d’émission qui est envoyé depuis une baie de contrôle du robot jusqu’à la source laser. La gestion des gaz dans la tête se fait par un boitier en amont qui n’est pas représenté.
[0067] Le faisceau laser 5 est supporté par le support de sorte que l’axe du faisceau qu’il émet est centré sur le centre de la bride étanche de fixation 30.
[0068] En outre, un ou plusieurs support d’instrumentation 36, par exemple des capteurs d’O 2et/ou H2O OU de température et/ou de pression, peuvent être fixés dans la partie inférieure du support 31 pour instrumenter l’intérieur de l’enceinte d’inertage 10. De manière générale, les supports 36 peuvent être destinés à recevoir de l’instrumentation, telle que des caméras dans le visible et l’infrarouge notamment, des pyromètres, une caméra thermique, etc.. Ces supports 36 sont de préférence amovibles et peuvent être retirés manuellement, sans outil, de l’effecteur terminal 3.
[0069] L’installation 1 qui vient d’être décrite permet de réaliser rapidement des pièces de grandes dimensions et/ou de formes complexes dans un environnement inerte à très faibles valeurs d’O2 et/ou H2O, qui garantit la qualité du bain de fusion par le laser.
[0070] L’invention n’est pas limitée aux exemples qui viennent d’être décrits ; on peut notamment combiner entre elles des caractéristiques des exemples illustrés au sein de variantes non illustrées.
[0071] D’autres variantes et modes de réalisation peuvent être envisagés sans pour autant sortir du cadre de l’invention.
[0072] Par exemple, si dans l’exemple illustré, le robot mis en œuvre est un robot à bras articulé, on peut envisager d’autres types de robot, comme un robot cartésien.
[0073] Également, si dans l’exemple illustré, l’enceinte d’inertage est en forme de parallélépipède droit, on peut envisager toute autre forme rigide qui permet une fixation étanche d’une jupe souple qui assure l’interface d’étanchéité avec l’extrémité d’un robot et garantit un environnement inerte avec de très faibles valeurs d’O2 et/ou H2O.

Claims

Revendications
[Revendication 1] Installation (1) de découpe, soudage, rechargement ou fabrication additive par faisceau laser, comprenant :
- une enceinte d’inertage (10), sous atmosphère inerte, logeant un support d’une pièce à réaliser par découpe, soudage, rechargement ou fabrication additive, l’enceinte d’inertage étant délimitée par au moins une paroi rigide (11, 12, 13, 14, 15) et une jupe souple d’étanchéité (2) fixée de manière étanche à la au moins une paroi rigide ;
- un effecteur terminal de robot (3) comprenant un support (31) d’au moins une partie, de préférence sa tête, d’au moins un laser adapté pour émettre un faisceau de découpe, soudage ou fabrication additive et au moins une bride étanche de fixation (30), fixée ou réalisée intégralement avec le support et sur laquelle la jupe souple d’étanchéité est fixée de manière étanche;
- un robot (4) auquel est fixé l’effecteur terminal de robot, le robot étant adapté pour permettre un mouvement de l’effecteur terminal à l’intérieur de l’enceinte, selon l’une et/ou l’autre des trois directions orthogonales (X, Y, Z).
[Revendication 2] Installation (1) selon la revendication 1, l’enceinte comprenant cinq parois rigides délimitant un parallélépipède droit à l’exception de l’ouverture supérieure à laquelle est fixée de manière étanche la jupe souple.
[Revendication 3] Installation (1) selon la revendication 1 ou 2, le robot étant un robot à bras articulé à six axes.
[Revendication 4] Installation (1) selon l’une des revendications précédentes, la bride étanche de fixation logeant au moins un passage étanche (34) de câble(s) ou fibre(s) d’alimentation du laser, d’alimentation électrique, d’ amenée de fluides, notamment le gaz d’inertage, de câble(s) de contrôle et/ou d’instrumentation.
[Revendication 5] Installation (1) selon la revendication 4, la bride étanche de fixation logeant en outre un passage étanche (35) de dévidoir de fil à faire fondre par le laser pour le soudage ou la fabrication additive, le dévidoir étant fixé au support de l’effecteur terminal.
[Revendication 6] Installation (1) selon l’une des revendications précédentes, la bride étanche de fixation étant de forme générale circulaire, dont la périphérie est fixée de manière étanche à la jupe souple.
[Revendication 7] Installation (1) selon la revendication 6, le laser étant supporté de sorte que l’axe du faisceau qu’il émet est centre sur le centre de la bride étanche de fixation.
[Revendication 8] Installation (1) selon l’une des revendications précédentes, comprenant au moins une unité de contrôle-commande (33) pour commander au moins le laser, l’alimentation du gaz d’inertage et de préférence le déplacement du robot et par-là de l’effecteur terminal dans l’enceinte.
[Revendication 9] Installation (1) selon l’une des revendications précédentes, l’étanchéité entre la jupe souple et la(les) paroi(s) rigide(s) d’une part, et la bride étanche de fixation d’autre part étant telle que les valeurs en O2 et H2O sont inférieures à 10 ppm au sein de l’enceinte d’inertage.
[Revendication 10] Utilisation de l’installation selon l’une des revendications précédentes, pour la réalisation par découpe, soudage, rechargement ou fabrication additive par laser de pièces destinées au nucléaire, à l’aéronautique, au naval, à l’automobile.
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