FR2878771A1 - Procede et appareil de frittage au laser a densification controlee de la poudre fusible - Google Patents

Abstract

Dans ce procédé, une poudre fusible est exposée à plusieurs balayages de laser (114) à des niveaux d'énergie contrôlés et pendant un temps suffisant pour fondre et densifier la poudre et en évitant la fusion de particules hors de la frontière de fusion (110). Un balayage initial à énergie relativement élevée est effectué pour fondre la poudre, suivi par des balayages contrôlés d'énergie inférieure pour densifier la fusion, et séparés dans le temps pour dissiper la chaleur dans la masse de la pièce environnante. La vitesse et l'ampleur de la fusion sont contrôlés de sorte que chaque balayage successif sert à fondre les particules par échelons progressifs discrets. Les dimensions finales, les propriétés mécaniques et la densité de l'élément (110) peuvent être améliorées.

Description

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L'invention se rapporte de manière générale à un procédé de prototypage et fabrication rapides et, plus particulièrement, au frittage au laser.

Le prototypage et fabrication rapides (RP&M) est le nom donné à un domaine de technologies qui peuvent être utilisées pour former des objets tridimensionnels rapidement et automatiquement à partir de données informa-tiques représentant les objets. En général, les techniques de prototypage et fabrication rapides permettent de fabriquer des objets tridimensionnels, couche par couche, à partir d'un milieu de travail en utilisant des ensembles de données par tranches représentant des sections transversales de l'objet à former. De manière classique, une représentation d'objet est initialement fournie par un système de Conception Assistée par Ordinateur (CAO). Les techniques RP&M sont parfois désignées imagerie tridimensionnelle et comprennent la stéréolithographie, l'impression à jet d'encre appliquée à l'imagerie tridimensionnelle, et le frittage au laser, auquel l'invention se rapporte.

L'appareil de frittage au laser dépose une couche mince de poudre fusible, souvent une poudre de polymère fusi- ble ou d'un métal recouvert de polymère, sur un lit de la poudre et applique ensuite de l'énergie thermique pour fondre les parties de la couche de poudre corres- pondant à une section transversale de l'article fabri- qué dans cette couche de poudre. Les lasers appliquent de manière classique l'énergie thermique par une modu- lation et une commande directionnelle précise à une surface ciblée de la couche de poudre. Les systèmes de frittage au laser sélectifs classiques, comme le sys- tème Vanguard disponible auprès de 3D Systems, Inc., utilisent des lasers au dioxyde de carbone et position- nent le faisceau laser à l'aide de miroirs entraînés par des galvanomètres qui dévient le faisceau laser.

2878771 2 L'appareil dépose alors une couche supplémentaire de poudre sur la couche précédemment fondue et répète le processus de fonte et de fusion sélective de la poudre dans cette couche suivante, les parties fondues des couches postérieures se fusionnant aux parties fondues des couches précédentes comme cela est approprié pour l'article, jusqu'à ce que l'article soit achevé. Ces articles sont parfois appelés "éléments fabriqués".

Un ordinateur met en oeuvre le système de commande pour le laser, programmé avec des informations indicatives des frontières souhaitées d'une pluralité de sections transversales de l'élément à produire. Le laser peut être balayé sur l'étendue de la poudre ligne par ligne ou de façon vectorielle. Dans le mode vectoriel, le faisceau laser trace le contour et l'intérieur de chaque zone en coupe transversale de la partie souhaitée. Dans un balayage ligne par ligne, un faisceau laser modulé balaye un motif répétitif d'un bout à l'autre de la poudre. Dans certaines applications, les sections transversales des articles sont formées dans une couche de poudre en faisant fondre la poudre le long du contour de la section transversale dans le mode vectoriel, avant ou après un balayage ligne par ligne qui "remplit" la surface à l'intérieur du contour tracé de façon vectorielle.

Des descriptions détaillées de la technologie de frittage au laser peuvent être trouvées dans les brevets U.S. n 4 863 538, 5 132 143 et 4 944 817, tous au nom de Board of Regents, The University of Texas System, et dans le brevet U.S. n 4 247 508 au nom de Housholder. La technologie de frittage au laser permet la fabrication directe d'articles tridimensionnels de définition élevée et de précision dimensionnelle élevée à partir d'une variété de matières fusibles, incluant le polystyrène, certains nylons, d'autres plastiques, et de ma- 2878771 3 tières composites, y compris les métaux recouverts de polymère et la céramique. Le frittage au laser peut être utilisé pour la fabrication directe de moules à partir d'une représentation de base de données de CAO de l'objet à mouler. Les opérations informatiques "in-versent" la représentation de base de données de CAO de l'objet à former pour former directement les moules négatifs à partir de la poudre.

Le frittage au laser dépend de la maîtrise thermique du processus dans la masse de la pièce pour obtenir de bons éléments tridimensionnels. Les sources d'énergie thermique sont le laser, des dispositifs de chauffage de cylindre qui préchauffent la poudre dans des cylindres d'alimentation de poudre qui fournissent une cou- che de poudre à l'appareil, des dispositifs de chauffage radiants pour chauffer la poudre avant le dépôt sur la surface cible au laser, le dispositif de chauffage radiant pour la surface cible au laser, et le laser. Le laser est de manière classique un laser au CO2 qui balaye la couche fraîche de poudre pour faire fondre les particules de poudre dans les zones souhaitées. Le nombre croissant d'applications pour les produits frittés au laser a abouti à une demande d'éléments fa-briqués ayant des propriétés physiques améliorées. Les systèmes commerciaux actuels délivrent efficacement la poudre et l'énergie thermique d'une façon précise et efficace. Néanmoins, les éléments frittés au laser sont parfois dimensionnellement déformés et peuvent ne pas avoir la résistance, par exemple, des éléments en plas- tique moulés par injection.

Le processus de frittage peut laisser des espaces vides entre les particules individuelles, ce qui réduit la résistance de l'élément fabriqué. L'augmentation de l'énergie thermique fournie aux poudres fusibles peut aboutir à des parties déformées de façon dimension- 2878771 4 nelle. Les particules chauffées aux frontières de la surface cible peuvent fondre et adhérer aux particules immédiatement à l'extérieur de la surface ciblée. L'intérieur des particules individuelles de poudre peut de- venir fondu provoquant l'écoulement de la matière excessive dans les espaces vides qui existent entre les particules environnantes. Une ou plusieurs couches peu-vent subir une augmentation globale des dimensions par rapport aux valeurs nominales calculées par le pro- gramme de CAO. L'augmentation indésirable est générale-ment désignée "croissance" et reflète que la valeur moyenne des dimensions obtenues varie dans un degré inacceptable par rapport à la valeur nominale calculée. Une telle croissance peut rendre un élément fritté inu- tilisable pour son usage projeté.

Ainsi, il existe un besoin d'un procédé d'utilisation de frittage au laser pour produire des éléments qui soient précis et qui aient une résistance élevée. L'invention propose un procédé perfectionné de forma- tion d'un objet tridimensionnel en utilisant un frittage au laser et un appareil pour mettre en oeuvre le procédé. Chaque couche de poudre est balayée une pluralité de fois par un laser le long du même chemin de fusion sans refroidissement significatif entre les ba- layages, de sorte que la poudre dans le chemin de fusion reste au, ou près du, point de fusion sans s'étendre à l'extérieur de la frontière de fusion et sans faire fondre la poudre à l'extérieur de la frontière de l'élément. La densité et la résistance à la traction, le module en traction et l'allongement à la rupture sont tous maîtrisés de manière plus efficace et une croissance significative est évitée de façon comparable aux éléments moulés par injection. Bien que ne souhaitant pas être lié par la théorie, on estime que le contrôle selon l'invention de l'intensité du laser ou 2878771 5 du niveau d'énergie, et de la fréquence de balayage, dissipent la chaleur de fusion dans la masse de la pièce environnante sans amener la poudre fondue à s'étendre au-delà de la frontière de fusion souhaitée et sans aboutir à la fusion de la poudre à l'extérieur de la frontière de fusion.

Exposer chaque couche à de multiples balayages laser permet de maîtriser la vitesse à laquelle les particules individuelles sont fondues de sorte que la matière fondue s'écoule en même temps par échelons progressifs discrets. Chaque balayage successif fournit la quantité d'énergie nécessaire pour maintenir la poudre à ou près de son point de fusion, et normalement légèrement au-dessus de son point de fusion. Les particules ramollies peuvent alors s'écouler en remplissant en même temps les espaces vides dans le chemin de fusion pour produire une masse solidifiée. La croissance est évitée, la précision est améliorée, et la densité des éléments peut être augmentée de façon comparable au moulage par injection.

La puissance de chaque balayage successif peut être mo- difiée pour réduire le temps mis pour appliquer de mul- tiples balayages laser le long du même chemin de laser et pour parvenir à la densité d'élément souhaitée et aux dimensions souhaitées. Un balayage initial à niveau d'énergie relativement plus élevé devrait être suffi- sant pour amener la poudre jusqu'à la zone de son point de fusion et pour faire fondre les zones extérieures des particules de poudre en évitant une fonte excessive qui pourrait aboutir à une croissance indésirable. Les balayages successifs devraient être appliqués à un ni- veau d'énergie inférieur, suffisant pour maintenir la poudre à, ou près de, et normalement légèrement au- dessus de, son point de fusion et à la viscosité basse souhaitée étant donné que moins de chaleur est exigée 2878771 6 lors des balayages suivants pour maintenir ou augmenter la température de la poudre et pour réduire de ce fait la viscosité de la fusion. Les balayages successifs peuvent s'effectuer à des niveaux d'énergie successifs inférieurs. En conséquence, le temps exigé pour les balayages multiples le long du même chemin peut être ré-duit.

Ainsi, l'invention propose un procédé dans lequel des éléments peuvent être produits par un frittage au la- ser, les éléments ayant une précision dimensionnelle et des propriétés mécaniques améliorées par de multiples balayages laser le long du même chemin de fusion. L'invention comprend également un appareil de frittage au laser qui permet des balayages multiples le long du même chemin de fusion à des intensités différentes ou à des niveaux d'énergie différents de faisceau laser.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre en rela- tion avec les dessins annexés, qui ne sont pas nécessairement à l'échelle et sur lesquels: - la figure 1 est une vue avant écorchée en perspective d'un système de frittage au laser classique représentant la structure interne d'un appareil de frittage au laser de la technique antérieure; - la figure 2 est une représentation schématique des principaux systèmes de mise en oeuvre de l'appareil de frittage au laser de la figure 1; - la figure 3A est une représentation graphique décri- vaut la quantité de chaleur introduite pendant un balayage laser classique d'énergie élevée de la technique antérieure pour faire fondre une poudre fusible pour former un objet tridimensionnel; - la figure 3B est une représentation graphique de la 35 quantité de chaleur introduite dans la pratique de 2878771 7 l'invention par trois balayages laser successifs à une énergie réduite en comparaison à la figure 3A qui est suffisante pour maintenir la poudre à ou légèrement au-dessus de son point de fusion; - la figure 3C est une représentation graphique de la quantité de chaleur introduite dans une variante de mode de réalisation de la pratique de l'invention par quatre balayages laser successifs, le premier étant à une énergie quelque peu plus élevée conçue pour amener une poudre fusible jusqu'à la fusion, et les trois balayages suivants étant à une énergie réduite suffisante pour maintenir la poudre à ou légèrement au-dessus de son point de fusion; -la figure 4 est une représentation graphique de la relation entre la densité de l'élément fabriqué réalisé selon l'invention et le temps pendant lequel l'élément fabriqué est maintenu à une température élevée à ou près de son point de fusion; et la figure 5 est une représentation graphique des ré-20 sultats donnés sur le Tableau 1.

On va maintenant décrire l'invention plus totalement dans la suite du document en se référant aux dessins annexés, dans lesquels certains, mais pas tous, modes de réalisation de l'invention sont représentés. En effet, l'invention peut être réalisée sous de nombreuses formes différentes et ne devrait pas être interprétée comme limitée aux modes de réalisation exposés ici. Des références numériques semblables se réfèrent à des éléments semblables tout au long de la description et des dessins.

Un système de frittage au laser sélectif classique ayant une double alimentation pour de la poudre fusible du type actuellement vendu par 3D Systems, Inc., Valen- cia, Californie, est représenté aux figures 1 et 2. Les 2878771 8 systèmes de frittage classiques comportent habituelle-ment un faisceau d'énergie dirigé et une unité de commande pour diriger le faisceau d'énergie. Sur les figures, le faisceau d'énergie dirigé provient d'un laser au dioxyde de carbone 108. Son système de balayage 114 est décrit monté dans une unité 100 au-dessus d'une chambre de processus 102 qui comprend une masse ou un lit de la pièce 132 où la poudre est fondue pour fabriquer un élément. La chambre de processus maintient la température et la composition atmosphérique appropriées pour la fabrication de l'élément. L'atmosphère est de manière classique une atmosphère inerte, comme de l'azote. Il est également possible de mettre en oeuvre la chambre de processus sous vide.

La masse de la pièce comprend des zones de poudre fondue et non fondue et contient l'élément qui est en cours de fabrication. La zone de poudre fondue est l'élément fabriqué 131. La zone de poudre non fondue est désignée par 106 à la figure 2. Le système tel que représenté est un système à double alimentation qui comprend deux cartouches de poudre 124, 126 qui délivrent en alternance des couches fraîches de poudre sur le lit de poudre dans des directions opposées. Un dis-positif de mise à niveau, qui peut être un rouleau tournant à contresens 130, ou un couteau comprenant une raclette de nettoyage ou un appareil similaire, répartit la poudre fraîche sur le lit de poudre. De manière classique, une première partie de la poudre est déposée à l'intérieur de la surface cible, suivie par le ba- layage de la poudre avec le faisceau laser et la répétition avec une seconde partie de poudre et un balayage. Ces étapes sont répétées au besoin, couche par couche, pour produire l'objet souhaité.

Le laser 108 produit un faisceau laser 104 que le sys-35 tème de balayage 114 dirige sur une surface cible 110 2878771 9 dans la masse de la pièce 132. Le système de balayage 114 comprend des miroirs entraînés par des galvanomètres qui font dévier le faisceau laser. Les systèmes de laser et de galvanomètre sont isolés de la chambre de processus chaude 102 par une fenêtre laser 116, comme le montre la figure 2. La déviation et la longueur fo-cale du faisceau laser sont commandées, en combinaison avec la modulation du laser 108, pour diriger une énergie laser présélectionnée vers les emplacements de la couche fusible de poudre correspondant à la section transversale de l'article à former dans cette couche, qui est la surface cible 110. Le système de balayage 114 balaye le faisceau laser sur l'étendue de la poudre de façon vectorielle avec le faisceau laser frappant la surface de poudre dans la surface cible 110. On notera qu'un système de balayage susceptible d'un balayage ligne par ligne pourrait également être utilisé.

Le système de balayage comprend de manière classique une unité de commande (non représentée) qui peut être reliée de manière opérationnelle au faisceau d'énergie dirigé et aux galvanomètres. L'unité de commande sert à commander la position et la direction du faisceau d'énergie par l'intermédiaire des galvanomètres et mo- dule le niveau d'énergie du faisceau. De manière clas- sique, l'unité de commande comprend un ordinateur ou un dispositif équivalent qui peut être utilisé pour commander le fonctionnement du système. L'ordinateur peut comprendre un système de CAO / FAO où, ayant donné à l'ordinateur les dimensions complètes et la configura- tion de l'élément à réaliser, l'ordinateur détermine les frontières de chaque zone en coupe transversale de l'élément. En utilisant les frontières nominales présé- lectionnées, l'ordinateur commande la fusion de chaque couche correspondant aux tranches en coupe transversale prises à travers l'élément. Dans une variante de mode 2878771 10 de réalisation, l'ordinateur est simplement programmé avec les frontières de chaque zone en coupe transversale de l'élément.

Comme le montre la figure 2, deux cartouches de poudre 124, 126 amènent de la poudre dans la chambre de processus au moyen de pistons de chargement respectifs 125, 127. Le piston 127 pousse d'abord une quantité mesurée de poudre 123 à partir de la cartouche d'alimentation en poudre 126, et un rouleau à contresens 130 pousse et étale la poudre sur la masse de la pièce 132 d'une façon uniforme. Le rouleau à contresens 130 passe complètement au-dessus de la masse de la pièce 132, y compris la surface cible 110 et la cartouche de poudre 124 pour produire une couche de niveau de poudre s'étendant d'un côté de la chambre de processus à l'autre. La poudre résiduelle, s'il y a lieu, est déposée dans un réceptacle de débordement 136. Le système dirige ensuite le faisceau laser pour faire fondre la poudre dans la surface cible. D'une façon analogue, la cartouche de poudre 124 délivre la couche suivante de poudre au rouleau par l'intermédiaire du piston 125, laquelle est étalée sur le lit de poudre et la cartouche de poudre 126, l'excès étant déposé dans le réceptacle de débordement 138. Le système à double alimenta- tion fonctionne de cette manière jusqu'à ce que toutes les couches soient déposées et fondues et l'élément fa-briqué. Le piston 128 abaisse la masse de la pièce après la fusion de chaque couche afin de recevoir la couche suivante de poudre fraîche.

Un autre système de délivrance de poudre utilise des trémies suspendues pour amener la poudre d'en haut et de chaque côté de la surface cible 110 devant un appa- reil de délivrance comme un racloir ou un grattoir. On reconnaîtra que l'invention peut être utilisée avec une large variété de systèmes différents et qu'elle n'est 2878771 11 pas limitée à un quelconque système ou conception de frittage au laser particulier.

Des éléments de chauffage radiants sont positionnés près du sommet de la chambre de processus 102 au-dessus de chaque chambre de poudre et au-dessus de la partie lit 132. Les éléments de chauffage 122 préchauffent la poudre d'alimentation et maintiennent la poudre d'alimentation dans un état chauffé pour le dépôt sur le lit de poudre et pour minimiser le choc thermique. Un élé- ment de chauffage 120 chauffe la masse de la pièce et maintient de manière souhaitable la surface cible à une température juste au-dessous de la fusion. La fenêtre laser 116 est placée au-dessus et sur un axe qui la positionne à l'intérieur des éléments de dispositif de chauffage radiants 120, qui définissent une ouverture centrale pour la fenêtre laser. Ces éléments de chauffage 120 peuvent être des panneaux en forme d'anneau ou des tiges de chauffage radiantes qui entourent la fenêtre laser 116. Les anneaux peuvent être rectangulaires ou circulaires.

Une large variété de milieux fusibles peut être utili- sée pour mettre en oeuvre l'invention. Des poudres ap- propriées comprennent des poudres amorphes, cristalli- nes et semi-cristallines, bien que non nécessairement avec des résultats équivalents. Les poudres semi- cristallines fondent et recristallisent bien pour met- tre en oeuvre l'invention, tandis que les poudres cris- tallines peuvent présenter une certaine fragilité et les poudres amorphes peuvent avoir tendance à produire des éléments fabriqués sujets à la croissance. La croissance des éléments amorphes est à distinguer des éléments amorphes produits par un moulage par injection où la fusion de polymère est limitée par les surfaces du moule. Les poudres cristallines ont tendance à avoir des points de fusion qui sont égaux ou qui sont très 2878771 12 proches de la température de recristallisation, ce qui n'est pas souhaitable dans la pratique du frittage au laser. Les poudres semi-cristallines ayant un point de fusion bien distinct de leur point de recristallisation sont bien adaptées à la pratique de l'invention.

Des poudres appropriées comprennent les polymères semicristallins, comme les nylons, les polystyrènes, le téréphtalates de polybutylène (PBT) , les éthylènes, les propylènes et les polyacétals (PA), et les copolymères et homopolymères de ces derniers. Un milieu fusible particulièrement utile est le nylon 12 qui est disponible auprès de 3D Systems, Inc., sous la marque déposée DuraForm .

Selon l'invention, exposer chaque couche de poudre à une pluralité de balayages laser à des énergies présélectionnées différentes améliore les propriétés mécaniques et la précision dimensionnelle de l'élément résultant. Balayer chaque couche à un certain niveau d'énergie pour maintenir la poudre à ou légèrement au-dessus de son point de fusion aide à maîtriser la quantité de chaleur qui est appliquée à la poudre de sorte que l'amplitude de fusion que chaque particule subit peut être limitée. En conséquence, la diminution de la viscosité de la poudre peut être maîtrisée et la crois- sance peut être réduite ou sensiblement éliminée. Précédemment, on a considéré le balayage à de basses énergies comme étant quelque peu indésirable à cause de la diminution résultante de la viscosité des particules ciblées en ce que les résultats pourraient être suffi- sauts pour réduire ou éviter que les particules et les couches successives ne fondent effectivement. En conséquence, la stabilité mécanique de l'élément pourrait être modifiée de manière défavorable. Cependant, de manière très contrastée, on a maintenant déterminé qu'exposer la couche de poudre à de multiples balayages la- 2878771 13 ser à des énergies présélectionnées conçues pour main-tenir la matière fusible à, ou juste au-dessus de, son point de fusion aboutit à l'écoulement de la matière fondue en même temps par échelons progressifs discrets, ce qui améliore la fusion, la résistance et la densité des éléments tout en préservant des dimensions précises et en évitant une croissance indésirable. De multiples niveaux d'énergie successifs différents peuvent être délivrés par le laser 108, soit par logiciel soit par des fichiers de recouvrement.STL ayant chacun un para-métrage de niveau d'énergie laser différent.

De manière classique, le premier balayage de la couche est entièrement terminé avant que le deuxième balayage ne commence, et une durée de temps de passage sur la cible suffisante est prévue pour permettre à la couche chauffée de s'écouler et de refroidir légèrement afin de dissiper la chaleur vers la masse de la pièce, mais en maintenant toujours liquide la surface fondue. On reconnaîtra que des lasers à double faisceau peuvent également être utilisés pour mettre en oeuvre l'invention, avec lesquels il n'y a aucun temps de refroidissement entre les balayages, aussi longtemps qu'une fusion excessive et la croissance qui en découle ne se produisent pas. On reconnaîtra également que, en fonc- tion de l'énergie du laser ou de la taille de la sur-face balayée, chaque balayage ligne par ligne ou vectoriel peut être de nouveau effectué immédiatement, bien que non nécessairement avec des résultats équivalents. Si on le souhaite, le diamètre du faisceau laser et l'espacement peuvent être modifiés entre les balayages successifs.

Les figures 3A, 3B et 3C illustrent une comparaison du procédé de balayage classique (figure 3A) avec celui de l'invention (figures 3B et 3C). Comme le montre la fi- gure 3A, un procédé de balayage classique comprend ha2878771 14 bituellement le balayage de la poudre avec le laser à un niveau d'énergie élevé en un balayage unique. Dans une tentative pour améliorer la densité de l'élément, la poudre est chauffée de manière classique avec le la- ser à une température qui est supérieure de manière significative au point de fusion de la poudre. Ce balayage laser à énergie supérieure peut amener un plus grand pourcentage des particules de poudre à avoir une viscosité faible et à rester dans un état de viscosité faible pendant une période de temps prolongée. En conséquence, l'élément peut subir une déformation indésirable par rapport aux dimensions souhaitées.

Au contraire, la figure 3B montre qu'un balayage avec trois balayages égaux successifs à des énergies basses qui sont séparés dans le temps aboutit à ce que la poudre soit légèrement chauffée au-dessus de son point de fusion. La quantité d'énergie dirigée vers la poudre devrait être assez élevée pour permettre à la matière visqueuse de s'écouler d'une façon contrôlée et de re- froidir avant qu'une quelconque déformation indésirable de l'élément ne puisse se produire.

La figure 3C représente une impulsion laser initiale chauffant et faisant fondre la poudre fusible avec des impulsions successives de puissance réduite pour conti- puer à chauffer la matière déjà fondue pour maintenir la matière au ou légèrement au-dessus du point de fusion.

Selon un aspect de l'invention, le procédé propose un moyen par lequel la déformation de l'élément peut être réduite. De manière classique, la précision dimension- nelle résultante de l'élément final devrait avoir une croissance minimale en comparaison à la valeur nominale pour l'élément. L'expression "valeur nominale" se ré- fère à la valeur attendue pour la partie qui est entrée ou calculée par le logiciel de CAO / FAO. De manière 2878771 15 classique, plus la valeur dimensionnelle moyenne est proche de la valeur nominale, plus l'élément résultant est précis d'un point de vue dimensionnel.

Dans un autre aspect de l'invention, balayer la poudre avec de multiples balayages laser permet également d'augmenter la densité de l'élément jusqu'à une limite maximale. Bien que n'étant pas une corrélation précise, on considère de manière générale comme vrai qu'une augmentation de la densité reflète une augmentation de la résistance, tant que les dimensions sont acceptables. De manière classique, l'augmentation de la densité va améliorer la stabilité mécanique de l'élément incluant sa résistance à la traction, sa limite élastique à la rupture en pourcentage, et son module en traction. On a trouvé que même de petits changements de la densité de l'élément peuvent affecter de manière significative la stabilité mécanique résultante de l'élément.

De préférence, la densité de la partie résultante est proche de, ou équivalente à, la densité ultime qui est possible pour la matière dont l'élément est composé. L'expression "densité ultime" correspond en fait à la description d'un élément comme entièrement dense, ce qui est la densité d'une masse de la matière fondue sous vide. Les éléments moulés par injection sont de manière classique entièrement denses ou presque entièrement denses. La densité ultime peut être définie comme caractérisant un élément qui n'a aucun espace vide dans son volume, aucune porosité mesurable. Le procédé de l'invention peut produire des éléments ayant des densités qui approchent étroitement de la densité ultime. La relation entre la densité ultime et la durée à laquelle une surface ciblede poudre fusible est maintenue à, ou légèrement au-dessus de, son point de fusion en l'absence de croissance, est représentée à la figure 4.

2878771 16 Bien que ne souhaitant pas être lié par la théorie, on estime que l'augmentation du nombre de balayages laser et la réduction de l'énergie du laser aident à maintenir la matière fusible fondue proche de son point de fusion tout en prévoyant un temps suffisant et en abaissant suffisamment la viscosité de la matière fondue de sorte que la fusion de la matière fondue peut se produire à la densité ultime. Chaque balayage ramollit et fait fondre les frontières extérieures des particu- les de sorte que la matière visqueuse s'écoule dans les espaces vides entre les particules par échelons progressifs discrets. En conséquence, avec chaque balayage successif, la densité de l'élément peut augmenter jus-qu'à une limite maximale ou souhaitée en éliminant sen- siblement toute déformation de l'élément.

On reconnaîtra que le nombre de balayages nécessaires pour augmenter la densité dépend de nombreux facteurs comprenant, par exemple, les propriétés physiques de la poudre comme son point de fusion et sa viscosité, la puissance du laser utilisée dans le balayage, le temps entre les balayages, les contraintes de temps pour produire l'élément, et d'autres de ce genre.

Selon un autre aspect de l'invention, l'intensité de chaque balayage successif peut être modifiée pour dimi- nuer le temps qui est nécessaire pour produire un élé- ment ayant une précision dimensionnelle et une densité souhaitées. Par exemple, le balayage initial peut avoir l'intensité la plus élevée par rapport aux balayages suivants ou il peut avoir l'intensité la plus élevée, chaque balayage successif ayant une intensité infé- rieure. Le premier balayage devrait permettre à une partie plus grande de chaque particule balayée d'at- teindre une température plus élevée aboutissant à une période de refroidissement plus longue. En conséquence, la matière fondue aura plus de temps pour s'écouler et 2878771 17 fusionner. La chaleur à laquelle la poudre est exposée devrait être assez basse de sorte qu'une croissance ne se produise pas. Lors de chaque balayage suivant l'énergie peut être réduite pour faciliter la fusion progressive maîtrisée des particules. Ce processus devrait être plus efficace parce qu'il combine des énergies laser supérieures lors du balayage initial avec des énergies inférieures lors des balayages suivants pour produire progressivement l'élément à une vitesse plus rapide.

Pendant le processus de frittage au laser, le lit de pièce 132 dans le lit de poudre est chauffé jusqu'à un état d'équilibre qui est au- dessous de son point de fusion. Quand le faisceau laser est appliqué à la poudre dans la surface cible, une zone chaude localisée est créée. La hausse de température de la poudre fondue peut être calculée en utilisant sa capacité thermique mesurée, la chaleur de fusion et la densité. Le comportement de frittage de cette poudre peut être modélisé en utilisant la loi de frittage décrite par Childs et al. dans l'édition 2001 du Rapid Prototyping Journal aux pages 180 à 184 du Volume 7, dans un article intitulé "Density Prediction of Crystalline Polymer Sintered Parts at Various Part Cake Temperatures". Dans la loi de frittage, l'augmentation de la densité en fonction du temps est liée à la progression du frittage et est représentée comme étant une fonction tant de la densité que de la température: dp/dt = f(p,T) Comme on peut le voir d'après la relation mathématique, la viscosité diminue et la densité augmente globalement du fait de la réduction des vides quand la température de la matière s'élève. À température constante, le 2878771 18 frittage progresse avec le temps, cependant la vitesse de frittage diminue lorsque la densité approche de la densité maximale de la matière.

Il est avantageux d'élever la température de la poudre autant que possible pour parvenir à une faible viscosité. Il est également avantageux de maintenir la poudre fondue à une température élevée aussi longtemps que possible pour permettre à la densification d'avoir lieu. Cependant, l'énergie thermique ajoutée à la pou- dre fondue ou partiellement fondue peut provoquer la fusion de particules adjacentes à l'élément, ce qui aboutit à une croissance indésirable.

Alors, en théorie, le cas de frittage idéal peut être modélisé comme celui où l'on souhaite apporter autant de chaleur que possible à l'élément fondu, en limitant cependant le flux de chaleur sortant de l'élément vers la poudre adjacente de sorte que cette poudre adjacente ne puisse pas fondre et fusionner. Ce flux de chaleur sera, en général, limité par la conductibilité thermi- que de la poudre. En d'autres termes, apporter plus d'énergie à l'élément que la poudre ne peut dissiper de façon thermique va provoquer la fusion des particules adjacentes. Apporter de l'énergie à un débit inférieur à cette limite théorique va empêcher l'accumulation de chaleur et va limiter la fusion de la poudre. En l'absence d'un quelconque autre mécanisme de refroidisse-ment actif, cela limite en pratique la quantité d'énergie qui peut être apportée à l'élément par unité de temps.

Les techniques à balayages multiples de l'invention améliorent la vitesse de frittage/densification de la poudre en conservant la température de l'élément élevée, mais pas trop élevée pour éviter la croissance, en prévoyant simultanément du temps pour le frittage par un flux visqueux dans la surface cible.

19 EXEMPLES

Les exemples suivants ne sont qu'illustratifs et ne doivent en aucune manière être considérés comme limita-5 tifs.

Dans les exemples ci-dessous, des échantillons sont préparés par frittage d'une couche de poudre de nylon DuraForm avec 1 à 3 balayages en faisant varier l'intensité du laser. Un système de frittage par laser Van- guard V207 100 watts grande vitesse, disponible auprès de 3D Systems, Inc., est utilisé pour former les échantillons.

Par commodité, les exemples du Tableau 1 ci- des-sous illustrent des balayages multiples de faible puis- sance égale. Dans certains cas, les exemples montrent des améliorations relatives d'allongement à la traction de 100 ou plus en comparaison à une technique classique à balayage unique (la colonne pour 1 balayage dans le Tableau 1) et des améliorations d'environ 30 % de l'allongement en comparaison aux allongements d'environ 10 pour la technique classique.

La figure 5 donne une représentation graphique des valeurs de ce Tableau 1.

Tableau 1

Nbre balayages Puissance laser 1 2 3 4 5 10 20 12 watts watts 24,1 8 watts 21,5 27,1 7 watts 12,5 14,8 25 28,7 7 watts à 10 balayages c'est trop chaud (fusion) 6 watts 10,5 13,2 19,9 25,3 33,7 33,5 6 watts à > 5 balayages c'est reproductible watts 7,5 11,2 12,3 12,6 12,7 31,3 5 watts à 10 balayages c'est un cas limite 4 watts 10,2 13,9 4 watts à 20 balayages, il n'y a pas assez d'énergie 2878771 21 On notera que des balayages multiples à une puissance trop élevée aboutissent à une croissance, comme le montre le Tableau 1 précédent pour l'exemple de 10 balayages à 7 watts.

Le balayage multiple est effectué de façon souhaitable en faisant varier l'énergie du laser. Il est parfois préférable d'utiliser une impulsion laser relativement élevée lors du premier balayage en comparaison aux balayages suivants étant donné que la poudre fraîchement déposée est relativement froide comparée à la matière précédemment fondue dans la même couche. Les balayages suivants successifs peuvent avoir des niveaux d'énergie successivement inférieurs. De cette façon, de la chaleur supplémentaire peut être apportée à la poudre pour rapidement élever son énergie interne près de la température à laquelle la vitesse de frittage devient significative. Les balayages suivants sont alors utilisés pour maintenir la masse de poudre fondue à cette température supérieure. L'utilisation d'un ba- layage laser initial de puissance supérieure devrait normalement aboutir à la production plus rapide d'un élément tout en maintenant le flux de chaleur nécessaire pour minimiser la croissance. Cependant, il est toujours important de ne pas utiliser de puissance trop élevée lors du premier balayage de la première couche d'un élément parce qu'une puissance du laser excessive va traverser la couche et provoquer la croissance de la poudre au-dessous du plan souhaité de l'élément. Les couches suivantes ne devraient pas souffrir de ce problème étant donné qu'elles ont déjà de la matière fondue au-dessous d'elles.

Des améliorations de résistance de 100 % ou plus sont représentées en utilisant de multiples balayages à pleine puissance séparés par des temps de retard qui permettent de dissiper l'énergie thermique excessive.

2878771 22 Dans cet exemple, illustré par le Tableau 2 ci-dessous, la surface cible est parcourue trois fois par le laser, suivi par de longs retards multiples d'éléments sacrificiels qui servent à agir comme un mécanisme de retard de temps. Les éléments souhaités sont alors de nouveau balayés dans la même couche, de nouveau suivi par les éléments de retard.

Tableau 2

Couche Temps pour balayer Temps pour balayer Temps pour balayer des barres d'essai une éprouvette par des éléments sacri- de traction le faisceau ficiels (temps de retard) 1 (bas) 22 5 3 éléments * 10 balayages = 90 s 2 22 5 1,66 élément * 10 balayages = 45 s 3 (haut) 22 5 1 élément * 10 balayages = 30 s Couche Traction %E Module 1 (bas) 7 100 15 250 2 7 100 21 240 3 (haut) 6 800 19 230 DFPA standard 4 800 8 210 Bien que ne souhaitant pas être lié par la théorie, on estime le transfert de chaleur hors de la poudre fraî- chement fondue comme étant une fonction de son environnement local, du fait que la poudre fraîchement fondue se trouve dans un bloc de poudre fondue ou existe comme une mince ligne de poudre fondue dans une croûte de poudre non fondue. Cet environnement local affecte le flux de chaleur en permettant ou en limitant l'accès à 2878771 23 la masse de la pièce. Dans le cas d'un bloc fondu, l'intérieur du bloc transfère la chaleur à travers le volume de l'élément jusqu'à la masse de la pièce. Ce chemin peut être long et complexe, réduisant le taux de transfert de chaleur et augmentant le risque d'une croissance indésirable. D'autre part, une mince ligne de poudre fondue a une grande valeur de superficie à proximité de la partie lit et le transfert de chaleur peut se produire tout à fait facilement.

Les Tableaux 3 à 6 ci-dessous illustrent des exemples supplémentaires de techniques de balayages multiples de l'invention et l'impact de la puissance du laser, du nombre de balayages et du temps de retard entre les balayages sur la qualité des éléments produits. Dans ces exemples, un retard ou un temps de passage sur la cible se produit dans ces exemples à balayages multiples entre la fin d'un balayage et le début d'un autre. Le temps de passage sur la cible permet à la poudre de refroidir et à la chaleur de se dissiper, mais de manière générale le temps de passage sur la cible n'est pas si long de sorte que la poudre se refroidit beaucoup au-dessous de son point de fusion.

Le Tableau 4 représente les poids obtenus pour les exemples du Tableau 3, et le Tableau 6 représente les poids obtenus pour les exemples du Tableau 5. L'exemple 4 dans le Tableau 3 montre qu'une puissance de laser trop élevée avec un retard inadéquat entre les balaya- ges aboutit à une croissance d'élément indésirable. En comparant les exemples 8, 9 et 2 respectivement à 1 et 7, on voit que, tandis que le balayage unique classique (exemples 1 et 7) et la technique de balayage multiple de l'invention (exemples 8, 9 et 2) aboutissent chacune à des éléments ayant une croissance acceptable ou au moins non significative, la technique à multiples ba- layages de l'invention aboutit à des augmentations de 2878771 24 poids significatives, ce qui, de manière générale, se corrèle avec une densité et des propriétés mécaniques améliorées. Ces exemples présentant un poids accru et n'ayant pas de croissance acceptable ne reflètent pas la densité de manière précise étant donné que la forme est de manière classique irrégulière. Les améliorations des propriétés mécaniques sont reflétées par les don-nées obtenues pour la résistance à la traction, l'allongement en % et le module en traction pour ces exempies présentant des balayages multiples et une croissance acceptable. La médiocre qualité des exemples 3 à 6 est attribuée à l'utilisation d'une puissance de laser trop élevée pour trop de balayages avec une dissipation de chaleur inadéquate entre les balayages.

La comparaison des exemples 1, 4 et 7 de la technique classique à balayage unique aux exemples 3 et 8 des Tableaux 5 et 6 montre des améliorations de la densité et des propriétés mécaniques par la pratique de l'invention. Les exemples 2, 5, 6 et 9 sont compatibles avec les Tableaux 3 et 4 en ce que des balayages multiples à une puissance de laser trop intense peuvent aboutir à une croissance indésirable.

Tableau 3

n Qualité* MLT** Nombre de Puissance Largeur Résistance à % allongement Module en Épaisseur passe balayages du laser (pouce) la traction à la rupture traction (pouce) en watts (psi) (kpsi) f 1 5 15 1 50 0,514 3 776 5,2 194 0,124 2 4 15 2 60 0,529 6 088 6,9 273 0,132 3 0 15 3 70 0,587 5 022 7,4 235 0,199 4 0 30 3 60 0,542 5 279 7,8 256 0,178 0 30 2 70 0,528 6 057 6,9 281 0,141 6 0 30 3 50 0,533 6 091 8,8 283 0,145 7 5 60 1 70 0,517 5 438 4,9 262 0,129 8 5 60 2 50 0,517 6 397 7,9 278 0,126 9 4 60 3 60 0,534 6 642 8,4 280 0,131 * Qualité est une détermination subjective basée sur l'apparition de croissance dans l'élément, estimée de 0 à 5, 5 indiquant l'absence de croissance indésirable.

** MLT désigne le "temps laser minimal" et se réfère au nombre de secondes entre le début d'un balayage du laser et le suivant, comprenant n'importe quel temps de passage sur la cible entre deux. Valeurs déterminées selon la norme exposée dans ASTM D-638.

Tableau 4 - Poids d'élément en grammes Passe 1 Passe 2 Passe 3 Passe 4 Passe 5 Passe 6 Passe 7 Passe 8 Passe 9 7,4 9,4 15,0 12,5 9,9 10, 6 8,4 8,7 10,2 7,5 9,2 14,1 12,4 10,2 10,6 8,4 8,9 10,3 7,5 9,3 14,7 11,7 9,9 10,6 8,4 8,8 10,1 7,7 9,4 14,9 12,3 9,8 10,3 8,4 8,8 10,1 7,5 9,3 14, 7 12,1 10,0 10,3 8,4 8,8 10,2

Tableau 5

n Qualité* MLT** Nombre de Puissance Largeur Résistance à % allongement Module en Épaisseur passe balayages du laser (pouce) la traction à la rupture traction (pouce) en watts (psi) t (kpsi) f 1 + 5 30 1 14 0,508 6 004 4,1 280 0,122 2 + 1 30 2 19 0,523 6 300 5,6 285 0,145 3 - 5 30 3 25 0,590 5 695 6,0 286 0,200 4 + 5 60 1 19 0,511 6 530 4,7 301 0,128 0 60 2 25 0,540 5 540 5,3 261 0,173 6 0 60 3 14 0,523 6 338 7,3 285 0,152 7 + 5 90 1 25 0,513 6 387 5,8 298 0,126 8 + 5 90 2 14 0,512 6 762 8, 0 293 0,134 9 0 90 3 19 0,544 5 560 10,0 227 0,176 * Qualité est une détermination subjective basée sur l'apparition de croissance dans l'élément, estimée de 0 à 5, 5 indiquant l'absence de croissance indésirable.

** MLT désigne le "temps laser minimal" et se réfère au nombre de secondes entre le début d'un balayage du laser et le suivant, comprenant n'importe quel temps de passage sur la cible entre deux. Valeurs déterminées selon la norme exposée dans ASTM D-638.

Tableau 6 - Poids d'élément en grammes Passe 1 Passe 2 Passe 3 Passe 4 Passe 5 Passe 6 Passe 7 Passe 8 Passe 9 8,1 9,9 15,2 8,5 11,7 10, 3 8,4 9,1 11,8 7,9 9,6 15,2 8,4 11,3 10,0 8,4 9,1 11,4 8,3 9,6 14,9 8,5 11,2 9,8 8,5 8,9 11,3 8,0 9,8 15,6 8,4 11,6 10,1 8,6 8,9 11,6 7,9 10,3 15, 7 8,4 _ 12,0 10,3 8,5 8,9 11,8

Claims (2)

1. 29 REVENDICATIONS

   1. Procédé de frittage au laser, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à : a. fournir une couche de poudre fusible (106) ; b. exposer une surface cible prédéterminée (110) de la poudre à l'intérieur de la couche à une pluralité de balayages d'énergie laser (104) à un niveau d'énergie contrôlé et le long du même chemin de fusion pendant un temps permettant de maintenir la poudre dans la surface cible à, ou au-dessus de, son point de fusion en évitant la fusion de la poudre adjacente dans la couche à l'extérieur de la surface cible; et c. répéter les étapes de fourniture et d'exposition une pluralité de fois pour produire un objet tridimen- sionnel, la pluralité de balayages étant caractéri- sée par un balayage initial ayant un niveau d'éner- gie qui est supérieur aux balayages suivants. 20 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape d'exposition de la surface cible à une pluralité de balayages comprend deux balayages ou plus.

   3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que dans l'étape de répétition des étapes de fourniture et d'exposition, la surface cible varie entre les répétitions.

   4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape de fourniture d'une couche de poudre fusible comprend le dépôt d'une couche de poudre d'épaisseur prédéterminée sur une surface de la masse de la pièce, la poudre étant sélectionnée dans le groupe 2878771 30 constitué du nylon 11, du nylon 12, du polystyrène, du téréphtalate de polybutylène et du polyacétal.

   5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape d'exposition de la poudre fusible à une pluralité de balayages produit une masse fondue de géométrie prédéterminée.

   6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape d'exposition de la poudre fusible à une pluralité de balayages comprend l'exposition de la poudre à des balayages successifs ayant chacun un niveau d'énergie successivement inférieur.

   7. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape d'exposition de la poudre fusible à une pluralité de balayages d'énergie laser comprend la mise en oeuvre d'un laser au CO2 (108).

   8. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape d'exposition de la poudre fusible à une pluralité de balayages d'énergie laser comprend le balayage de la couche d'une façon vectorielle 9. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape d'exposition de la zone cible de poudre fusible à une pluralité de balayages consiste à : balayer ladite surface cible (110) de poudre fusible (106) une première fois avec une énergie laser (104) suffisante pour faire fondre ladite poudre; permettre à la chaleur de se dissiper vers la poudre au-delà de ladite surface cible tout en maintenant la surface cible dans un état fondu; et balayer de nouveau ladite couche de poudre une se-35 conde fois avec une énergie laser suffisante et pen- 2878771 31 dant un temps suffisant pour maintenir la surface cible dans un état fondu.

   10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que le premier balayage a un niveau d'énergie qui est supérieur au niveau d'énergie de tout autre balayage suivant.

   11. Procédé de production d'un élément, caractérisé en 10 ce qu'il comprend les étapes consistant à : déposer une couche de poudre fusible (106) sur, et à côté de, une surface cible présélectionnée (110) ; balayer un faisceau d'énergie (104) dirigé sur la surface cible lors d'un balayage initial pour faire fondre la poudre dans la surface cible; permettre à la chaleur de se dissiper dans la poudre adjacente tout en maintenant la poudre de la surface cible fondue et en évitant la fusion de la poudre adjacente; balayer de nouveau la surface cible au moins une fois le long du même chemin de fusion à un niveau d'énergie inférieur au balayage initial pour maintenir la poudre de la surface cible dans un état fondu et en évitant la fusion de la poudre adjacente; répéter les étapes précédentes pour former un élément tridimensionnel.

   12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comprend en outre les étapes consistant à : prévoir une unité de commande (114) reliée de façon opérationnelle au faisceau d'énergie dirigé ; et - alimenter l'unité de commande avec les frontières de chaque zone en coupe transversale de l'élément.
2. 2878771 32 13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il comprend en outre les étapes consistant à : prévoir un ordinateur; et fournir les dimensions complètes de l'élément à 5 l'ordinateur, celui-ci déterminant les frontières de chaque zone en coupe transversale de l'élément.

   14. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que les étapes de balayage comprennent les étapes consistant à déplacer le point du faisceau dans un balayage ligne par ligne.

   15. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'étape consistant à de nouveau balayer comprend l'exposition de la poudre de la surface cible à des balayages suivants ayant chacun un niveau d'énergie successivement inférieur.

   16. Appareil pour le frittage au laser par couche de poudres fusibles, caractérisé en ce qu'il comprend un système de commande (114) par ordinateur pour réaliser de multiples balayages de laser (108) le long du même chemin de fusion à des intensités de niveau d'énergie différentes dans chaque couche de poudre, chaque ba- layage laser successif s'effectuant à une intensité de niveau d'énergie inférieure au balayage précédent, les multiples balayages de laser en couches multiples formant un objet tridimensionnel.