FR2970663A1 - Processing a metal part by sintering and laser fusion for reducing its roughness, comprises automatically sanding a surface of the metal part with grains having different diameters, where the sanding process is defined by a program - Google Patents
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Abstract
Description
Le domaine de la présente invention est celui de la fabrication des pièces métalliques et plus particulièrement celui du traitement de finition pour l'obtention d'un bon état de surface des pièces frittées. The field of the present invention is that of the manufacture of metal parts and more particularly that of the finishing treatment for obtaining a good surface finish of the sintered parts.
Le frittage est un procédé qui permet de réaliser des pièces mécaniques ou d'autres objets à partir de poudres plus ou moins fines. Dans un premier temps, ces poudres sont agglomérées par divers procédés pour constituer une préforme, laquelle est ensuite chauffée pour acquérir une certaine cohésion. Une des techniques de chauffage couramment utilisées pour la réalisation de pièces métalliques par frittage est celle dite de la fusion laser. Dans ce procédé le matériau est présenté sous la forme d'une poudre que l'on fait fondre sous l'action d'un laser de forte puissance. La répétition d'un apport de poudre et de sa fusion par le laser permet de faire épaissir progressivement la pièce et d'obtenir les formes souhaitées. La description d'un outillage de réalisation d'une pièce métallique par fusion laser est donnée par la figure 1 et la mise en oeuvre de cette technique sera détaillée plus loin. Un des inconvénients associés à cette technique est que les pièces produites sont très rugueuses. A titre d'exemple la rugosité moyenne obtenue se situe entre 8pm et 20pm alors que celle obtenue par des procédés classiques sont nettement plus faibles : en fonderie on obtient des valeurs proches des 3pm après un léger sablage, et en usinage on atteint entre 1 pm et 2pm suivant les paramètres de coupes. De plus l'état de surface obtenu par le procédé de frittage avec fusion laser n'est pas homogène et on constate des rugosités plus élevées dans certaines zones et des rugosités plus faibles dans d'autres. Il s'ensuit que les procédés habituels de finition, tels que la tribofinition ou un ajustage ne sont plus adaptés, car pour arriver à l'état final recherché il est alors nécessaire de gérer la consommation matière en fonction de la zone où l'on se trouve. La gamme de finition de ces pièces fritées devient donc plus compliquée. Sintering is a process which makes it possible to produce mechanical parts or other objects from more or less fine powders. In a first step, these powders are agglomerated by various processes to form a preform, which is then heated to acquire a certain cohesion. One of the heating techniques commonly used for producing metal parts by sintering is that called laser melting. In this process the material is presented in the form of a powder which is melted under the action of a high power laser. The repetition of a powder supply and its fusion by the laser makes it possible to gradually thicken the piece and to obtain the desired shapes. The description of a tool for producing a metal part by laser melting is given in FIG. 1 and the implementation of this technique will be detailed below. One of the disadvantages associated with this technique is that the pieces produced are very rough. By way of example, the average roughness obtained is between 8 μm and 20 μm, whereas that obtained by conventional methods is much lower: in the foundry, values close to 3 μm are obtained after slight sanding, and in machining one reaches between 1 μm. and 2pm according to the cutting parameters. In addition, the surface state obtained by the sintering method with laser melting is not homogeneous and there is roughness higher in some areas and lower roughness in others. It follows that the usual finishing processes, such as tribofinishing or an adjustment are no longer suitable, because to reach the desired end state it is then necessary to manage the material consumption according to the area where one is located. The finishing range of these fried pieces thus becomes more complicated.
Pour pallier cet état de fait deux types de solutions existantes sont généralement mises en oeuvre : un usinage de finition complet de la pièce afin de la ramener à une rugosité connue, ou un ajustage suivi d'une finition classique par tribofinition. La première solution nécessite de mettre une surépaisseur à la pièce, ce qui se traduit par une gamme de finition coûteuse utilisant par exemple un fraisage 5 axes. Le procédé de la deuxième solution est aléatoire et difficile à mettre en oeuvre car la surépaisseur n'est pas uniforme ; il est alors très difficile de maîtriser la consommation de matière et donc de tenir des géométries précises. To overcome this state of affairs two types of existing solutions are generally implemented: a complete finishing machining of the part to bring it back to a known roughness, or an adjustment followed by a conventional finish by tribofinishing. The first solution requires an extra thickness to the part, which results in an expensive finishing range using for example a 5-axis milling. The method of the second solution is random and difficult to implement because the extra thickness is not uniform; it is then very difficult to control the consumption of material and thus to keep precise geometries.
La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients en proposant une méthode de finition des pièces frittées par fusion laser qui ne reproduise pas certains des inconvénients de l'art antérieur et, en particulier, qui inclue une étape de réduction de la rugosité des pièces frittées préalablement à leur finition par un des procédés habituels. The object of the present invention is to overcome these drawbacks by proposing a method for finishing the sintered parts by laser melting which does not reproduce some of the disadvantages of the prior art and, in particular, which includes a step of reducing the roughness of the sintered parts prior to their completion by one of the usual processes.
A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de finition d'une pièce métallique réalisée par frittage et fusion laser dans le but de réduire sa rugosité à une valeur inférieure ou égale à 2 microns, caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux étapes de sablage de la surface de ladite pièce à l'aide de grains de diamètre différents, le sablage avec le grain le plus gros précédant le sablage avec le grain le plus fin. Avantageusement le procédé comprend trois étapes de sablage à l'aide de grains de tailles différentes, réalisés successivement en allant du plus gros grain vers le plus fin. To this end, the subject of the invention is a process for finishing a metal part made by sintering and laser melting in order to reduce its roughness to a value of less than or equal to 2 microns, characterized in that it comprises at least minus two steps of sanding the surface of said workpiece with grains of different diameters, the sanding with the largest grain preceding sanding with the finest grain. Advantageously, the method comprises three sandblasting steps using grains of different sizes, successively made ranging from the largest grain to the finest.
Cette méthode de sablage par des grains de taille différente permet de réduire progressivement la rugosité de surface de la pièce, sans que les temps de sablage ne soient trop importants en cas de rugosité élevée. De façon préférentielle les grains ont sensiblement pour diamètres 500, 300 et 180 microns. This method of sanding with grains of different sizes makes it possible to progressively reduce the surface roughness of the part, without the sanding times being too great in case of high roughness. Preferably the grains have substantially for diameters 500, 300 and 180 microns.
Dans un mode particulier de réalisation le sablage est exécuté de façon automatique, le motif de balayage et le temps de station en chaque point étant définis par un programme. L'automatisation du procédé permet de garantir la constance de l'épaisseur de matière enlevée en chaque point et donc de s'assurer que les caractéristiques géométriques recherchées pour la pièce sont bien respectées. Préférentiellement lesdits motif de balayage et temps en station du programme sont définis à partir de la surépaisseur laissée en chaque point de la pièce lors des opérations de frittage et fusion par laser. On obtient ainsi, à l'issue des opérations de sablage, une pièce aux cotes attendues. In a particular embodiment, sandblasting is performed automatically, the scanning pattern and the station time at each point being defined by a program. The automation of the process makes it possible to guarantee the consistency of the material thickness removed at each point and thus to ensure that the geometrical characteristics sought for the part are well respected. Preferably said scanning pattern and station time of the program are defined from the extra thickness left at each point of the part during sintering and laser melting operations. At the end of sanding operations, a piece with the expected dimensions is thus obtained.
L'invention porte également sur un procédé de mise au point de la gamme de fabrication d'une pièce métallique par frittage et fusion par laser caractérisé en ce qu'il comprend, entre autres, les étapes suivantes : - réalisation d'un modèle numérique de la pièce à réaliser, - définition d'une gamme expérimentale de fabrication par frittage et fusion laser de la pièce à réaliser, - réalisation d'une pièce expérimentale selon ladite gamme expérimentale, - réalisation d'une étape de finition de la pièce par un procédé tel que décrit ci- dessus, jusqu'à l'obtention en tout point d'un état de surface dont la rugosité est inférieure ou égale à 2 microns, - enregistrement dans un programme du motif et des temps en station réalisés lors de ladite étape de finition, pour intégration dudit programme dans la gamme de fabrication, - mesure des caractéristiques géométriques de ladite pièce expérimentale après ladite étape de finition et analyse des écarts existant entre cette pièce expérimentale et le modèle numérique, et - modification de la gamme expérimentale de façon à créer en chaque point une surépaisseur égale à l'écart mesuré lors de l'étape précédente. The invention also relates to a method for developing the manufacturing range of a metal part by sintering and laser melting, characterized in that it comprises, inter alia, the following steps: - production of a digital model of the part to be produced, - definition of an experimental range of manufacturing by sintering and laser melting of the part to be produced, - realization of an experimental part according to said experimental range, - realization of a step of finishing the part by a process as described above, until a surface state having a roughness of less than or equal to 2 microns is obtained at all points, - recording in a program of the pattern and the station times made during said finishing step, for integrating said program into the manufacturing range, - measuring the geometrical characteristics of said experimental piece after said finishing step and analyzing the ecar ts existing between this experimental piece and the numerical model, and - modification of the experimental range so as to create in each point an extra thickness equal to the difference measured in the previous step.
L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative détaillée qui va suivre, d'un mode de réalisation de l'invention donné à titre d'exemple purement illustratif et non limitatif, en référence aux dessins schématiques annexés. The invention will be better understood, and other objects, details, features and advantages thereof will appear more clearly in the following detailed explanatory description of an embodiment of the invention given as a purely illustrative and non-limiting example, with reference to the accompanying schematic drawings.
Sur ces dessins : - la figure 1 est une vue schématique d'une machine de frittage par fusion laser, et - les figures 2 à 5 sont des vues séquentielles, en coupe, de la surface d'une pièce frittée au cours d'un traitement par un procédé selon un mode de réalisation de l'invention. In these drawings: FIG. 1 is a schematic view of a laser sintering machine, and FIGS. 2 to 5 are sequential views, in section, of the surface of a sintered part during a treatment by a method according to an embodiment of the invention.
En se référant à la figure 1, on voit une machine de réalisation d'une pièce métallique par frittage et fusion laser. Referring to Figure 1, we see a machine for producing a metal part by sintering and laser melting.
Un générateur 1 de faisceau laser émet un rayon laser 2 de forte puissance qu'il dirige sur un ensemble de miroirs réfléchissants 3, dont le dernier miroir 4 est pivotant de façon à assurer un balayage de la surface de la pièce à réaliser 5. La pièce 5 est plongée dans un bac 6 de façon à pouvoir être régulièrement recouverte d'une couche de la poudre métallique 7 adaptée au frittage. Un second bac 8, d'alimentation en poudre, est positionné à côté du bac de frittage 6 et est rempli de cette poudre de frittage 7. Un dispositif du type piston 9 permet de déplacer une quantité donnée de poudre 7, du bac d'alimentation 8 vers le bac de frittage 6, pour recouvrir la pièce 5 d'une couche de poudre d'épaisseur donnée. A laser beam generator 1 emits a high-power laser beam 2 which it directs onto a set of reflecting mirrors 3, the last mirror 4 of which is pivoted so as to ensure a scanning of the surface of the part to be produced. piece 5 is immersed in a tray 6 so as to be regularly covered with a layer of the metal powder 7 suitable for sintering. A second powder supply tank 8 is positioned next to the sintering tank 6 and is filled with this sintering powder 7. A device of the piston type 9 makes it possible to move a given quantity of powder 7, of the tank of supply 8 to the sintering tank 6, to cover the piece 5 with a layer of powder of a given thickness.
L'épaisseur de cette couche correspond à celle dont peut être augmentée celle de la pièce au cours d'une passe de fusion par le rayon laser 2. Des dispositifs de descente du bac de frittage 6 et de montée du bac d'alimentation 8 permettent, d'une part, de conserver la pièce à fritter 5 au niveau de l'affleurement des parois du bac 6, et d'autre part, d'amener une couche de poudre métallique 7 ayant la bonne épaisseur, en face du piston 9 du bac d'alimentation 8. Le frittage et la fusion de la pièce 5 s'effectuent par une succession d'opérations élémentaires se déroulant de la façon suivante : la pièce 5 affleurant le haut des parois du bac de frittage 6, le piston 9 est déplacé en direction de ce bac 6 pour qu'il dépose l'épaisseur souhaitée de poudre 7 sur la pièce 5 puis est remis en position d'attente à l'extrémité du bac d'alimentation 8. Le faisceau laser 2 effectue un balayage de la surface de la pièce à l'aide du miroir oscillant 4, ce qui provoque la fusion de la couche métallique et son agrégation à la pièce 5, ce qui accroit son épaisseur. La pièce 5 est ensuite tirée vers le bas pour compenser l'augmentation de son épaisseur et pour que sa surface revienne à l'affleurement du bac de frittage 6, tandis que le bas d'alimentation 8 est soulevé pour remettre une quantité adéquate de poudre métallique 7 en face du piston 9. Ce processus est répété le nombre de fois qu'il est nécessaire pour aboutir à la géométrie et aux cotes souhaitées pour la pièce 5. Les figures 2 à 5 montrent les états successifs de la surface de la pièce frittée 5 respectivement, avant et après trois opérations de sablage. La partie hachurée correspond à la quantité de matière enlevée au cours de chacune des opérations de sablage. Sur la figure 2 la surface de la pièce comporte une grande rugosité, résultant directement de l'opération de frittage par fusion laser. The thickness of this layer corresponds to that which can be increased that of the part during a melting pass by the laser beam 2. Descent devices of the sintering tank 6 and of the feed tray 8 allow on the one hand, to keep the piece to be sintered 5 at the level of the outcropping of the walls of the tray 6, and on the other hand, to bring a layer of metal powder 7 having the right thickness, in front of the piston 9 The sintering and melting of the part 5 is carried out by a succession of elementary operations taking place in the following way: the piece 5 flush with the top of the walls of the sintering tank 6, the piston 9 is moved towards the tray 6 so that it deposits the desired thickness of powder 7 on the part 5 and is returned to the waiting position at the end of the feed tray 8. The laser beam 2 performs a scan the surface of the workpiece with the oscillating mirror 4, which causes the melting of the metal layer and its aggregation to part 5, which increases its thickness. The part 5 is then pulled down to compensate for the increase in its thickness and for its surface to return to the outcropping of the sintering tank 6, while the feed bottom 8 is raised to deliver an adequate amount of powder 7 This process is repeated the number of times it is necessary to reach the desired geometry and dimensions for the part 5. FIGS. 2 to 5 show the successive states of the surface of the part sintered respectively before and after three sanding operations. The shaded portion is the amount of material removed during each sanding operation. In Figure 2 the surface of the workpiece has a high roughness, resulting directly from the laser sintering operation.
La figure 3 montre l'état de surface de la pièce 5 après une première opération de sablage, effectuée à l'aide de grains dont la taille avoisine les 500 microns. La figure 4 montre l'état de surface de la pièce 5 après une seconde opération de sablage, effectuée à l'aide de grains dont la taille avoisine les 300 microns. Figure 3 shows the surface state of the part 5 after a first sandblasting operation, carried out using grains whose size is around 500 microns. Figure 4 shows the surface state of the part 5 after a second sanding operation, carried out using grains whose size is around 300 microns.
Enfin la figure 5 montre l'état de surface de la pièce 5 après une troisième opération de sablage, effectuée à l'aide de grains dont la taille avoisine les 180 microns. On va maintenant décrire le fonctionnement de déroulement d'une opération de finition d'une pièce frittée par fusion laser, en appliquant le procédé selon l'invention. Finally, Figure 5 shows the surface state of the part 5 after a third sanding operation, carried out using grains whose size is around 180 microns. We will now describe the running operation of a finishing operation of a sintered piece by laser melting, by applying the method according to the invention.
La pièce 5, après sa réalisation par frittage dans une machine analogue à celle de la figure 1, est passée dans une seconde machine de finition selon l'invention, au cours de laquelle elle va subir plusieurs opérations de sablage réalisée de façon automatisée. L'opération de sablage est une opération connue, qui est utilisée notamment en fonderie, mais dans le but d'enlever des aspérités et d'homogénéiser la surface. Il s'agit, ici, d'un sablage léger, opéré manuellement, pour lequel une automatisation de cette tâche n'est pas essentielle. Au contraire dans l'invention le sablage effectué est un sablage minutieusement calibré afin d'obtenir un état de surface connu (avec une rugosité typiquement de l'ordre de 2 microns, qui est alors susceptible d'être finie par un procédé classique de tribofinition) tout en contrôlant la consommation de matière qui y est associée. Pour cela ce sablage minutieux nécessite, d'une part, l'utilisation de plusieurs tailles de grain et, d'autre part, celle d'un moyen automatisé. Plusieurs sablages, typiquement au nombre de trois sans que ce nombre soit impératif, sont effectués successivement avec différentes tailles de grains, en commençant par le plus gros grain. Dans l'exemple représenté par les figures, les trois tailles de grains retenues sont les suivantes : le premier grain a une taille d'environ 500pm, le deuxième d'environ 300pm et le dernier de 180pm. Le résultat obtenu après le premier sablage est donné par la figure 3, la partie hachurée représentant la partie qui a été enlevée ; de même le résultat obtenu après les deuxième et troisième opérations de sablage est donné par les figures 4 et 5. Ces différentes tailles de grain permettent ainsi, en diminuant la taille du grain à chaque passe, d'abaisser la rugosité par palier et d'écrêter, au fur et à mesure, les pointes de cette rugosité. L'utilisation d'un seul grain ne permettrait pas d'obtenir un état final ayant une rugosité d'environ 2 pm car la surface de départ étant trop rugueuse on ne pourrait pas tout faire avec le dernier grain (180pm). Il convient par ailleurs de prendre en compte le fait que le procédé de fusion laser ne donne pas un état de surface homogène et qu'il est par conséquent nécessaire de forcer plus dans les zones très rugueuses. De ce fait il est nécessaire de maîtriser la consommation de matière effectuée par le sablage en chaque point de la pièce. Pour cela l'invention propose d'automatiser les trois opérations de sablage, en définissant a priori le la quantité de matière à retirer en chaque endroit de la pièce lors de chacune des trois opérations de sablage. Il est ainsi nécessaire d'utiliser un moyen de mesure permettant de numériser l'ensemble de la pièce car les surépaisseurs à prendre en compte ne sont pas homogènes. La consommation de matière à effectuer en un point est alors définie en réalisant une première pièce, à l'aide d'une gamme de fabrication expérimentale, que l'on mesure au début et à la fin d'un processus de sablage selon une gamme de sablage prédéfinie. Cette gamme est adaptée au fur et à mesure du processus jusqu'à atteindre en chaque point la rugosité désirée pour la pièce. Ces mesures qui donnent la quantité de matière à retirer compte tenu de la gamme de sablage mise en oeuvre, sont utilisées pour définir la gamme de fabrication des pièces suivantes car elles donnent la valeur de la surépaisseur à mettre en chaque point de la pièce lors du frittage par fusion laser. Toutes les pièces à produire ont ainsi la même surépaisseur en chaque point et cette surépaisseur locale correspond exactement à la quantité de matière que les trois sablages effectuées selon la gamme mise en oeuvre, vont emporter. On obtient au bout du compte une pièce ayant les bonnes caractéristiques dimensionnelles et dont la rugosité équivaut à celle recherchée, c'est-à-dire homogène et de l'ordre de 2 pm. On peut terminer le processus de réalisation de la pièce en lui appliquant soit une tribofinition traditionnelle soit un écoulement de pâte abrasive, et ainsi obtenir l'état de surface final recherché. Cette dernière étape, classique, est réalisée sans enlèvement significatif de matière, à la différence du sablage selon l'invention, et ne modifie pas sensiblement les caractéristiques géométriques de la pièce. The piece 5, after its production by sintering in a machine similar to that of Figure 1, is passed in a second finishing machine according to the invention, during which it will undergo several sanding operations carried out automatically. The sanding operation is a known operation, which is used in foundry, but in order to remove asperities and homogenize the surface. It is here a light sanding, operated manually, for which automation of this task is not essential. On the contrary, in the invention the sandblasting carried out is a carefully calibrated sanding to obtain a known surface state (with a roughness typically of the order of 2 microns, which is then likely to be finished by a conventional method of tribofinishing ) while controlling the material consumption associated with it. For this, this fine sanding requires, on the one hand, the use of several sizes of grain and, on the other hand, that of an automated means. Several sands, typically three in number without this number is imperative, are carried out successively with different sizes of grains, starting with the largest grain. In the example represented by the figures, the three grain sizes selected are as follows: the first grain has a size of approximately 500 μm, the second grain approximately 300 μm and the last grain 180 μm. The result obtained after the first sanding is given in FIG. 3, the hatched portion representing the portion that has been removed; similarly, the result obtained after the second and third sanding operations is given in FIGS. 4 and 5. These different grain sizes thus make it possible, by decreasing the grain size at each pass, to lower the roughness stepwise and to clipping, as and when, the points of this roughness. The use of a single grain would not achieve a final state having a roughness of about 2 pm because the starting surface being too rough we could not do everything with the last grain (180pm). It should also be taken into account that the laser melting process does not give a homogeneous surface condition and that it is therefore necessary to force more in very rough areas. Therefore it is necessary to control the consumption of material made by sanding at each point of the room. For this the invention proposes to automate the three sandblasting operations, by defining a priori the amount of material to be removed in each part of the room during each of the three blasting operations. It is thus necessary to use a measurement means for scanning the entire part because the extra thicknesses to be taken into account are not homogeneous. The material consumption to be carried out at a point is then defined by producing a first part, using an experimental manufacturing range, which is measured at the beginning and at the end of a sanding process according to a range. predefined sandblasting. This range is adapted as the process progresses until, at each point, the desired roughness for the part is reached. These measurements, which give the quantity of material to be removed, taking into account the sandblasting range used, are used to define the range of manufacture of the following parts because they give the value of the extra thickness to be placed at each point of the part during the laser fusion sintering. All the parts to be produced thus have the same extra thickness in each point and this local extra thickness corresponds exactly to the quantity of material that the three sandblasting performed according to the range used, will take away. Finally, a piece having the good dimensional characteristics and whose roughness is equivalent to that desired, that is to say homogeneous and of the order of 2 μm, is finally obtained. We can finish the process of realization of the piece by applying to it either a traditional tribofinition or a flow of abrasive paste, and thus obtain the desired final surface state. This last step, conventional, is carried out without significant removal of material, unlike sanding according to the invention, and does not substantially modify the geometric characteristics of the part.
Il convient, entre autres, de remarquer que ce processus est parfaitement adapté à la finition de pièces de petites dimensions (c'est-à-dire ayant des dimensions inférieures à 150 mm) et présentant des accès difficiles. Pour cela il suffit de choisir, pour le sablage, des petites buses qui peuvent atteindre ces endroits difficiles d'accès. Le procédé de l'invention reste parfaitement applicable, la gamme de sablage intégrant alors le pilotage du positionnement de la buse en face de ces endroits particuliers.5 It should be noted, among other things, that this process is perfectly suited to the finishing of small parts (that is to say having dimensions smaller than 150 mm) and having difficult accesses. To do this it is sufficient to choose, for sanding, small nozzles that can reach these hard to reach places. The method of the invention remains perfectly applicable, the sanding range then integrating the control of the positioning of the nozzle in front of these particular places.
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