FR2984778A1

FR2984778A1 - Procede et appareil pour realiser des objets tridimensionnels

Info

Publication number: FR2984778A1
Application number: FR1162365A
Authority: FR
Inventors: Christophe Bessac; Stephanie Brochet; Frederic Pialot; Gilles Walrand
Original assignee: Michelin Recherche et Technique SA Switzerland; Michelin Recherche et Technique SA France; Societe de Technologie Michelin SAS
Current assignee: Compagnie Generale des Etablissements Michelin SCA
Priority date: 2011-12-23
Filing date: 2011-12-23
Publication date: 2013-06-28
Anticipated expiration: 2031-12-23
Also published as: FR2984778B1; WO2013092994A1

Abstract

L'invention concerne un appareil et un procédé de fabrication d'objet tridimensionnel (2) par consolidation successive, couche par couche, des zones sélectionnées d'une strate de poudre, les zones consolidées correspondant à des sections successives de l'objet tridimensionnel, ledit procédé comportant les étapes suivantes prises dans l'ordre : a - déposer une couche de poudre sur un support; b - préchauffer au moins partiellement ladite couche de poudre au moyen d'une première source d'énergie à faisceau d'électrons (20); c - chauffer ladite couche de poudre à l'aide d'une deuxième source d'énergie à faisceau laser (19) apte à fusionner les particules de poudre ; d - réaliser le déplacement relatif du faisceau laser (19) de ladite deuxième source par rapport à l'objet (2) selon une trajectoire prédéterminée de manière à fusionner la poudre et former une section dudit objet; e - répéter au moins les étapes a, c et d de manière à former plusieurs couches de matière fusionnée superposées constituant ledit objet (2).

Description

- 1 - PROCEDE ET APPAREIL POUR REALISER DES OBJETS TRIDIMENSIONNELS [0001] La présente invention est relative à un procédé et un appareil pour réaliser des objets tridimensionnels par consolidation successive, couche par couche, des zones sélectionnées d'une strate de matériau pulvérulent, les zones consolidées correspondant à des sections successives de l'objet tridimensionnel. Un tel procédé de fabrication connu également sous le nom de fabrication additive réalise, couche par couche, de manière partielle ou totale, un frittage ou une fusion des grains de poudre en utilisant un rayonnement électromagnétique (par exemple un faisceau laser) ou un faisceau de particules (par exemple un faisceau d'électrons). [0002] Un exemple d'installation pour produire un objet tridimensionnel couche par couche à partir d'un matériau pulvérulent par fusion sélective de poudre est connu du document US 4863538. Une telle installation comprend une unité de contrôle à microprocesseur pour commander et diriger l'énergie d'un faisceau laser sur une couche de matériau pulvérulent, préalablement déposée sur un support de l'installation, pour obtenir une partie consolidée de celle-ci, cette opération étant répétée couche par couche. Les sections transversales successives de l'objet à obtenir sont implémentées dans le microprocesseur qui commande ainsi le faisceau laser pour réaliser la fusion des particules de poudre selon les contours des sections transversales de l'objet. Une telle installation permet, certes, de réaliser des objets complexes qui sont difficiles à réaliser par les techniques de fabrication généralement connues, mais il s'est avéré que les objets ainsi réalisés présentaient souvent des déformations géométriques dues aux contraintes mécaniques issues des gradients de température importants lors de la fabrication de l'objet. [0003] Pour remédier à ce problème, une solution a été décrite dans le document US 5908569 qui décrit une installation pour produire un objet tridimensionnel par fusion sélective de poudre, couche par couche, à des endroits prédéterminés de la section transversale de l'objet au moyen d'un faisceau laser, du fait que l'installation comporte un élément chauffant radiant placé au-dessus du support destiné à recevoir - 2 - l'objet à fabriquer. Permettant, certes, de réduire les gradients thermiques lors de la consolidation de la zone choisie de la couche de poudre par le faisceau laser, l'utilisation d'un tel élément chauffant implique le chauffage de toute la surface de la couche de poudre et ceci pendant tout le temps de confection de l'objet, alors que le faisceau laser ne travaille que localement. De surcroît, l'installation doit faire appel à un élément de chauffage supplémentaire. [0004] Le document EP 2224038 décrit une installation similaire à celle du document précédent, mais où l'on réalise un chauffage préalable de la couche de poudre par un faisceau laser en provenance de la même source laser que celle qui produit le faisceau utilisé pour réaliser la fusion sélective de la couche de poudre. Tout en réalisant une réduction des gradients de température et étant de construction simplifiée, cette installation trouve ses limites lorsque l'on veut fabriquer des objets comportant des facettes à très faible inclinaison, proches de l'horizontale ou même s'étendant à l'horizontale. En effet, il a été constaté qu'avec des installations aptes à réaliser la fusion sélective de poudre à l'aide d'un faisceau laser, l'angle selon lequel on pourrait consolider une nouvelle couche correspondant à la section transversale de l'objet à réaliser était limité à 30° par rapport à l'horizontale. Par ailleurs, il a été constaté que la productivité d'une telle installation était très faible, notamment à cause de la faible puissance du faisceau laser utilisé. [0005] On connaît par ailleurs le document WO 0181031 qui décrit un dispositif pour fabriquer un objet tridimensionnel comportant un support pour l'objet à construire, un élément de distribution de couches successives de poudre sur ledit support et un canon à électrons commandé par une unité de contrôle pour réaliser la fusion sélective de sections transversales de l'objet à réaliser formées successivement à partir des couches de poudre successivement déposées sur ledit support. Le dispositif comporte par ailleurs des moyens pour détecter la distribution de la température sur la surface de la couche de poudre afin de commander les paramètres de fonctionnement du canon à électrons pour éviter l'apparition de différences de température au niveau des différentes couches et donc des déformations de l'objet obtenu. Un tel dispositif à canon d'électrons permet de développer une puissance supérieure à celle des dispositifs - 3 - à laser précédemment décrits et, de ce fait, est plus efficace et permet une meilleure productivité que les dispositifs à laser. Toutefois, de par le fait que la focalisation du faisceau d'électrons est difficile à réaliser et à cause des phénomènes de polarisation des grains de poudre à l'endroit de l'impact du faisceau d'électrons, il a été constaté que la qualité de la surface de l'objet obtenu avec un dispositif à canon d'électrons est inférieure à celle obtenue avec un dispositif à laser. [0006] Le document WO 2008/013483 décrit un perfectionnement du dispositif du document précédent, utilisant un canon d'électrons, préalablement à l'opération de fusion sélective d'une couche de poudre, pour réaliser une opération de préchauffage de la couche de poudre. Le préchauffage se fait par un balayage de la couche de poudre selon plusieurs trajectoires rectilignes séparées par une distance de sécurité afin de permettre un préchauffage uniforme et sans surchauffe de la couche de poudre. Un tel préchauffage permet d'obtenir une meilleure conductivité électrique de la poudre et donc une plus faible densité de charge, ce qui permet de régler les paramètres de fonctionnement du canon d'électrons à des valeurs plus importantes de courant ou de la vitesse de balayage, pour encore plus d'efficacité du dispositif. Toutefois, de par son fonctionnement, ce dispositif ne peut être utilisé qu'avec des poudres grossières ce qui fait que la qualité de la surface de l'objet obtenu est très faible et nécessite, pour certaines applications, des opérations de finition qui augmentent le temps d'obtention et le coût de l'objet fabriqué. [0007] Le but de l'invention est de pallier à ces inconvénients et de proposer un procédé et un appareil pour réaliser des objets tridimensionnels par fusion sélective de poudre de manière efficace pour obtenir une bonne qualité de leur surface, tout en permettant de diminuer les gradients de température lors de leur fabrication. [0008] Un autre but de l'invention est de proposer un procédé amélioré et un appareil performant et rapide pour réaliser des objets tridimensionnels par fusion sélective de poudre permettant de réduire le temps des cycles de fabrication de l'objet, ainsi que les coûts de fabrication des objets obtenus. - 4 - [0009] Ces buts sont atteints avec un procédé de fabrication d'objet tridimensionnel par consolidation successive, couche par couche, des zones sélectionnées d'une strate de poudre, les zones consolidées correspondant à des sections successives de l'objet tridimensionnel, ledit procédé comportant les étapes suivantes prises dans l'ordre : a - déposer une couche de poudre sur un support; b - préchauffer au moins partiellement ladite couche de poudre au moyen d'une première source d'énergie à faisceau d'électrons ; c - chauffer ladite couche de poudre à l'aide d'une deuxième source d'énergie à faisceau laser apte à fusionner les particules de poudre ; d - réaliser le déplacement relatif du faisceau laser de ladite deuxième source par rapport à l'objet selon une trajectoire prédéterminée de manière à fusionner sélectivement la poudre et former une section dudit objet; e - répéter au moins les étapes a, c et d de manière à former plusieurs couches de matière fusionnée superposées constituant ledit objet. [0010] Plus particulièrement, le procédé de l'invention utilise un préchauffage par faisceau d'électrons d'une strate ou couche de poudre déposée. Ainsi, il a été constaté que les particules de poudre préchauffées par un faisceau d'électrons s'organisaient de manière à former une première agglomération des particules de poudre, sans fusion des particules, mais suffisante pour que les particules ainsi rassemblées puissent garder leur organisation initiale tant qu'un effort ne leur est pas appliqué pour les désolidariser. Une telle organisation des particules est due aux liaisons Van der Waals qui se créent entre les particules de poudre impactées par le faisceau d'électrons. De surcroît, il a été constaté que le phénomène d'agglomération des particules de poudre était plus important lorsque la poudre présentait une faible granulométrie, par exemple lorsque le diamètre moyen des grains est compris entre 101.1m et 501.1m. En effet, une poudre fine comporte une surface spécifique très grande associée à l'énergie de surface de la poudre, cette énergie joue le rôle d'énergie motrice permettant la diffusion des atomes aux joints de grains. Ce qui fait que les particules arrivent dans un état de « pseudo- - 5 - frittage » dû au compactage de la poudre et à la dilatation volumique des grains lors du préchauffage. [0011] Cette organisation des particules de poudre permet alors une fusion plus rapide par le faisceau laser pour toute forme souhaitée de l'objet. En effet, il a été constaté lors des tests effectués en laboratoire, qu'avec des particules agglomérées après un préchauffage par faisceau d'électrons, une fusion des particules à l'horizontale pouvait également être réalisée, de la même manière qu'une fusion selon des angles aigus, donc toute forme souhaitée sans limitation d'angle pour l'objet à réaliser. [0012] De surcroît, le préchauffage par faisceau d'électrons permet d'augmenter la conductivité thermique de la poudre, ce qui permet d'obtenir une fusion plus rapide par faisceau laser, et ainsi d'augmenter la productivité du procédé de fabrication de l'objet tridimensionnel. [0013] Par ailleurs, en utilisant un préchauffage par faisceau d'électrons et en variant les paramètres de fonctionnement du faisceau et son orientation, on peut facilement contrôler la température de la couche de poudre avant la fusion par faisceau laser de manière à réduire les différences de température entre les différentes zones consolidées ou à consolider de l'objet, ce qui permet de réduire les tensions internes et d'éliminer toute déformation de l'objet à réaliser. [0014] Selon l'invention, on effectue au moins un préchauffage par faisceau d'électrons de la couche ou strate initialement déposée, puis on fusionne avec le faisceau laser les grains de poudre de la couche, la chaleur de la couche consolidée se transmettant à la strate suivante et ainsi de suite jusqu'à la consolidation de toutes les couches. Dans un mode avantageux de réalisation de l'invention, on préfère toutefois appliquer périodiquement un préchauffage par faisceau d'électrons, par exemple toutes les trois couches, et encore plus préférentiellement, à chaque couche déposée. [0015] Selon l'invention, le préchauffage par faisceau d'électrons permet de préchauffer au moins partiellement la couche de poudre. Un tel préchauffage peut alors être effectué localement, en orientant le faisceau d'électrons sur une zone de la surface - 6 - de la couche de poudre ou par déplacement du faisceau d'électrons sur plusieurs points ou zones de la surface de la couche de poudre. [0016] De préférence, on effectue l'étape de préchauffage de ladite couche de poudre en plusieurs phases par déplacement du faisceau d'électrons sur la surface de la couche de poudre de manière à augmenter progressivement la température de la poudre. [0017] Ainsi, on applique le faisceau d'électrons en plusieurs fois sur la surface de la couche de poudre de manière à augmenter progressivement sa température. Dans une première variante de l'invention, pour des raisons d'efficacité, on préfère utiliser la puissance maximale du canon d'électrons et augmenter le nombre d'impacts en combinaison ou non avec la variation de la vitesse de déplacement du faisceau. Ainsi, le réglage de la valeur de l'énergie appliquée à la surface impactée peut se faire en gardant constante la puissance maximale du canon d'électrons et en variant la vitesse de déplacement du faisceau d'électrons. Dans une deuxième variante de l'invention, on augmente graduellement la puissance du faisceau d'électrons. On arrive ainsi à augmenter progressivement la température et, de ce fait, à augmenter notablement la conductivité thermique de la poudre ce qui permet de pouvoir appliquer ensuite une puissance plus importante afin d'obtenir un préchauffage à une température proche de celle de fusion. Ceci convient plus particulièrement au cas où l'on utilise des poudres de faible granulométrie qui sont susceptibles de se vaporiser facilement sous l'impact d'un faisceau très énergétique. La stratégie de préchauffage est choisie de manière à être adaptée au matériau traité et à la géométrie de l'objet à fabriquer. La puissance maximale du faisceau d'électrons est adaptée au préchauffage de la partie massive de la pièce, le préchauffage étant appliqué de manière globale, à une ou plusieurs couches, selon la température atteinte dans la couche à travailler avant la fusion par faisceau laser. [0018] Avantageusement, le nombre de phases de préchauffage de la poudre et la différence de température entre deux phases de préchauffage consécutives sont choisis en fonction de la granulométrie de la poudre. - 7 - [0019] De préférence, les particules qui composent ladite poudre ont un diamètre moyen compris entre 5 et 3001.1m. [0020] De préférence, la puissance spécifique du faisceau d'électrons appliquée lors du préchauffage est comprise entre 2.106 et 50.106 W/cm2 à proportion de 50% à 20% pour un préchauffage préliminaire et de 50% à 80% pour un préchauffage ultime. Ceci permet de transmettre la puissance de manière homogène dans la couche de poudre pendant une première phase de préchauffage appelé préchauffage préliminaire et de monter localement proche de la température de fusion en dernière phase, appelé préchauffage ultime, tout en utilisant la puissance maximale du faisceau d'électrons. [0021] Avantageusement, ledit préchauffage à faisceau d'électrons est effectué simultanément avec le chauffage à faisceau laser selon une même trajectoire prédéfinie et le centre de gravité de la zone d'impact du faisceau d'électrons est situé en avant par rapport au point d'impact du faisceau laser tel que vu dans le sens de déplacement des faisceaux. Ceci permet de réduire considérablement le temps du cycle de fabrication de la pièce, car la zone impactée par le faisceau d'électrons lors de la dernière phase de préchauffage peut recevoir une plus forte énergie sans subir les phénomènes parasites de levage de poudre, tout en permettant de transmettre l'énergie reçue par conductivité thermique aux grains de poudre impactés par le faisceau laser, d'où un gain de productivité. [0022] Avantageusement, la distance entre le centre de gravité de la zone d'impact du faisceau d'électrons et le point d'impact du faisceau laser est déterminée en fonction du matériau, de la granulométrie de la couche de poudre et de la géométrie de la surface de l'objet. Ainsi, la zone d'impact du faisceau d'électrons peut être circulaire ou oblongue et est de préférence incluse dans un cercle ayant un diamètre d'environ lmm. [0023] Le procédé de l'invention permet d'utiliser des poudres métalliques ou céramiques. Dans une variante préférée de l'invention, on utilise une poudre métallique. Ceci permet de réaliser rapidement des pièces métalliques de forme complexe ayant une bonne densité, et qui résistent bien aux différentes sollicitations mécaniques. - 8 - [0024] Avantageusement, le point de focalisation du faisceau d'électrons est situé au-dessus de la surface de ladite couche de poudre. On arrive ainsi à obtenir une zone d'impact du faisceau sur la couche de poudre de surface importante et de faible profondeur, ce qui permet d'obtenir un préchauffage rapide et sans fusion des couches déjà consolidées. [0025] De préférence, ledit objet tridimensionnel est un moule ou une partie de moule pour la fabrication d'un pneumatique. Le procédé de l'invention permet de réaliser des pièces de forme complexe et convient plus particulièrement à la fabrication d'un moule ou d'une partie de moule pour pneumatique, telle une garniture de moule ayant des éléments de petites dimensions, tels que des lamelles ou des cordons. [0026] Les buts de l'invention sont également atteints avec un appareil pour fabriquer un objet tridimensionnel par consolidation successive, couche par couche, des zones sélectionnées d'une strate de poudre, lesdites zones correspondant à des sections successives de l'objet tridimensionnel, ledit appareil comportant : - des moyens de support dudit objet ; - des moyens de distribution aptes à appliquer une couche de poudre sur ledit support ou sur une couche précédemment consolidée dudit objet ; - une première source d'énergie à faisceau d'électrons réalisée de manière à effectuer le préchauffage au moins partiel de ladite couche de poudre - une deuxième source d'énergie à faisceau laser apte à fusionner les particules de poudre ; - des moyens de déplacement qui réalisent un déplacement relatif du rayonnement de ladite deuxième source à faisceau laser par rapport à l'objet selon une trajectoire prédéterminée de manière à fusionner sélectivement ladite couche de poudre. [0027] Avantageusement, lesdits moyens et sources d'énergie sont placés à l'intérieur d'une enceinte sous vide. Ceci permet le fonctionnement efficace de deux sources - 9 - d'énergie à faisceau d'électrons et laser dans une enceinte commune, tout en empêchant les phénomènes d'oxydation lors de la fusion laser ou de dispersion d'électrons et en assurant l'évacuation des gaz issus des opérations effectuées lors de la fabrication de 1 ' obj et. [0028] De préférence, l'appareil de l'invention comprend une unité de contrôle apte à commander le fonctionnement desdites sources et moyens. [0029] Avantageusement, l'appareil de l'invention comprend des moyens de mesure de la température de la couche de poudre reliés à ladite unité de contrôle. Ceci permet d'ajuster plus finement les paramètres de fonctionnement de la source à faisceau d'électrons. [0030] Par une source à faisceau laser on comprend au moins une telle source et par une source à faisceau d'électrons on comprend au moins une telle source, plusieurs sources pouvant être utilisées en combinaison au sein du procédé et de l'appareil de l'invention. [0031] L'invention sera mieux comprise grâce à la suite de la description, qui s'appuie sur les figures suivantes : - la figure 1 est une vue en coupe montrant schématiquement un appareil pour fabriquer un objet tridimensionnel selon l'invention ; - la figure 2a est une vue de dessus de l'objet montrant schématiquement les zones d'impact du faisceau d'électrons lors de la phase de préchauffage préliminaire et les figures 2b et 2c illustrent des vues de dessus de l'objet montrant schématiquement les zones d'impact des deux faisceaux énergétiques utilisés avec l'appareil de l'invention ; - la figure 3 est une courbe illustrant l'évolution de la température en fonction du temps dans les grains de la couche de poudre soumis au traitement avec les deux faisceaux [0032] Sur les différentes figures, les éléments identiques ou similaires portent la même référence. Leur description n'est donc pas systématiquement reprise. Il faut noter par - 10 - ailleurs que les épaisseurs des couches, les dimensions des grains de poudre, celles des faisceaux de rayonnement ou celles de l'objet réalisé ne sont pas représentés à une échelle cohérente mais au contraire volontairement faussée dans le but de rendre les figures lisibles. [0033] La figure 1 illustre un appareil 1 pour fabriquer un objet tridimensionnel 2. L'appareil comprend un plateau horizontal 3 sur lequel est construit l'objet 2 pour lequel il forme un support. L'appareil comprend également des moyens de distribution de poudre 4, en provenance d'un réservoir de poudre 7 situé au-dessus du plateau 3, lesdits moyens de distribution étant aptes à appliquer une fine couche de poudre sur le plateau 3, par exemple à l'aide de la raclette 5. La raclette 5 est mise en mouvement par des moyens d'actionnement (non représentés) pour effectuer un mouvement de translation alternative, dans un plan horizontal, selon la double flèche A, au-dessus du plateau 3. Ainsi, la raclette 5 étale la poudre en une couche fine, à partir de la sortie du réservoir 7, le surplus de poudre étant poussé par la raclette 5 dans un bac de récupération 6. La raclette 5 est de préférence ramenée dans sa position initiale à proximité de la sortie du réservoir 7 avant le commencement d'un nouveau cycle de mise en couche de la poudre. Dans une variante, un dispositif de compactage (non représenté sur les dessins) de la couche de poudre étalée peut également être prévu. La couche de poudre ainsi étalée sur le plateau 3 forme ainsi une strate qui est fusionnée sélectivement à l'aide d'un ou plusieurs faisceaux énergétiques en provenance d'un ensemble de sources d'énergie 8. L'objet tridimensionnel 2 est réalisé par une fusion sélective ou un frittage sélectif de poudre et est construit par superposition des couches sur la base d'une modélisation de l'objet par un ordinateur. Le faisceau énergétique (ou les faisceaux énergétiques) est (sont) piloté(s) par un microprocesseur d'une unité de contrôle 9 comprenant la modélisation de l'objet pour fabriquer l'objet par fusion ou frittage successif de couches de poudre superposées. Lors d'un cycle de fabrication de l'objet, le plateau 3 est abaissé régulièrement, après consolidation de chaque couche de poudre, d'une distance égale à l'épaisseur de la couche de poudre consolidée. Pour ceci, le plateau 3 est relié à un mécanisme d'entraînement en un mouvement de translation verticale, selon la double flèche B, par exemple en reliant la tige verticale 10 de support du plateau 3 à un mécanisme de type pignon-crémaillère ou vis-écrou actionné par un servomoteur ou par un moteur pas à pas. Il est bien entendu possible, dans une variante de l'invention, d'imprimer un mouvement ascendant au plateau de support de l'objet et d'alimenter en poudre le plateau par le bas. [0034] Plus particulièrement selon l'invention, l'appareil 1 comprend deux sources différentes d'énergie: un canon à faisceau d'électrons 11 et une source laser 12. [0035] La source laser 12 est par exemple un laser à CO2 ou un laser Nd :Yag qui a une puissance égale ou supérieure à 500 W. La source laser 1 est reliée à une unité de pilotage 13 d'un miroir galvanométrique 14 qui permet d'orienter et de déplacer le faisceau laser issu de la source 12 par rapport à l'objet 2 en fonction des informations envoyées par l'unité de contrôle 9. Le faisceau laser peut être déplacé par l'unité de contrôle 9 à une vitesse d'environ 10m/s. [0036] Le canon à électrons 11 comprend, de manière connue, un circuit de haute tension qui produit la tension d'accélération des électrons émis par l'électrode émettrice du canon qui est, elle, reliée à une source de courant permettant son chauffage pour produire l'émission d'électrons. Le faisceau d'électrons issus du canon est orienté par des bobines déflectrices 16 par rapport à l'objet 2 en fonction des informations envoyées par l'unité de contrôle 9. L'appareil 1 comprend également des bobines de focalisation 15 du faisceau permettant de réaliser une focalisation du faisceau d'électrons par rapport à la zone travaillée de l'objet 2. La puissance du canon d'électrons est d'environ 3000W et son faisceau peut être déplacé à une vitesse d'environ 1000m/s. [0037] Les composants de l'appareil 1 sont agencés à l'intérieur d'une enceinte étanche 17 reliée à une pompe à vide 18 qui maintient un vide d'environ 104-10-6 mbar à l'intérieur de l'enceinte. Un tel niveau de pression assure un bon fonctionnement du canon à électrons et permet d'éviter les phénomènes d'oxydation lorsque la fusion sélective de la poudre est effectuée par la source laser. La pompe à vide 18 est choisie de manière à ce que son débit soit suffisant pour prendre en compte le dégazage résultant du cycle thermique ainsi qu'un éventuel débit de fuite de l'enceinte 17. - 12 - [0038] Les parois de l'enceinte 17 sont de préférence en acier et sont suffisamment épais, l'épaisseur des parois pouvant être d'environ 20 à 30 mm, pour assurer la protection de l'opérateur contre les rayons X. L'enceinte 17 comporte par ailleurs des hublots (non représentés) permettant à l'opérateur de visualiser les différentes zones à l'intérieur de l'appareil, tout en assurant la protection contre les rayons X émis par le canon à électrons et contre les rayons lumineux émis par la source laser. [0039] L'unité de contrôle 9 commande l'alimentation et le pilotage des sources d'énergie, l'alimentation en poudre depuis le réservoir et la distribution par les moyens de distribution d'une couche de poudre, ainsi que le mouvement du plateau. Dans une variante de l'invention, l'appareil comprend de plus des moyens de mesure de la température, tels une caméra IR ou CCD qui sont aptes à communiquer à l'unité de contrôle des informations concernant la température de la couche de poudre et ajuster ainsi les paramètres de fonctionnement du canon d'électrons pendant les phases de préchauffage. [0040] Selon l'invention, on utilise le faisceau d'électrons 20 en provenance du canon 11 pour réaliser le préchauffage de la poudre avant de réaliser la fusion avec le faisceau laser 19 en provenance de la source 12. Plus particulièrement, le préchauffage s'effectue en plusieurs phases, notamment en deux phases selon l'exemple de la figure 2. Ainsi, lors de la première phase de préchauffage appelé préchauffage préliminaire et tel qu'illustré schématiquement à la fig. 2a, on balaye la surface de l'objet 2 avec le faisceau d'électrons 20 de manière à effectuer plusieurs impacts ponctuels sur cette surface, par exemple de manière aléatoire ou selon un algorithme programmé dans la mémoire de l'unité de contrôle 9. Ceci permet de chauffer de manière homogène la surface de la couche de poudre jusqu'à une première température Ti, inférieure à la température de fusion, et de réduire ainsi le gradient de température et donc les déformations de l'objet fabriqué. Ensuite, on applique un préchauffage localisé, appelé préchauffage ultime, en faisant augmenter la température de la poudre jusqu'à une température T2, T2>T1, mais inférieure à la température de fusion de la poudre. Lors de la phase de préchauffage ultime, on fait travailler simultanément les deux sources d'énergie, mais en faisant précéder le faisceau laser 19 par le faisceau d'électrons 20, tel - 13 - que vu dans le sens de déplacement des faisceaux sur la surface de la couche de poudre. Tel que visible aux figures 2b et 2c, le centre de gravité de la zone d'impact du faisceau d'électrons est en avant par rapport au point d'impact du faisceau laser selon le sens de déplacement des faisceaux. Ceci permet de garantir une bonne montée en température de la poudre, à une température proche de la température de fusion de celle-ci, de manière localisée, juste avant la fusion par laser, et de réduire encore plus les éventuelles déformations pouvant apparaître lors de la fusion, ainsi que le temps de réalisation de l'objet. [0041] Pour des raisons d'efficacité, on préfère maintenir constante la puissance du faisceau laser lors des phases de préchauffage et augmenter la température de la couche de poudre en augmentant le nombre des points d'impact et la vitesse de déplacement du faisceau. [0042] La zone d'impact du faisceau laser peut être de forme circulaire (fig. 2b), en réglant le point de focalisation à une distance prédéterminée au-dessus de la surface de la couche de poudre. Pour des objets qui nécessitent plus de précision de leur forme et de leur surface, s'étendant de part et d'autre du point d'impact du faisceau laser, la zone d'impact peut avoir une forme oblongue (fig. 2c), qui peut être obtenue en réglant le faisceau d'électrons, par exemple par pilotage des bobines 15 à l'origine des champs magnétiques de focalisation. [0043] Les figures 2a à 2c représentent un exemple de fabrication d'objet par consolidation de la poudre utilisant deux phases de préchauffage, préliminaire et ultime, en utilisant un faisceau d'électrons. Toutefois, la poudre peut être amenée progressivement en température en utilisant plusieurs phases de préchauffage intermédiaire, le nombre de phases de préchauffage par faisceau d'électrons ainsi que la température dépend du type de poudre, de la granulométrie de la poudre, ainsi que de la géométrie de l'objet à fabriquer. [0044] Les poudres utilisées avec le procédé de l'invention sont des poudres métalliques, telles les poudres de Ti, Ni-Ti, les superalliages, les alliages d'aluminium, d'invar, d'aciers inoxydables, de CoCr, de maraging et d'autres ou des poudres - 14 - céramiques. Selon la géométrie et les caractéristiques mécaniques ou de surface de l'objet à réaliser, ainsi que selon l'épaisseur de la couche finale visée, le diamètre moyen des particules de la poudre peut varier de quelques microns, par exemple 51.1m, à 3001.1m. Selon les paramètres de fonctionnement des faisceaux énergétiques utilisés et selon les poudres utilisées, l'épaisseur d'une couche de poudre peut varier de quelques micromètres, par exemple 101.1m, à plusieurs centaines de micromètres, par exemple 500µm. [0045] La figure 3 illustre l'évolution de la température T en fonction du temps t dans les grains de la couche de poudre soumise au traitement avec les deux faisceaux 19 et 20 selon une variante de réalisation du procédé de l'invention. Sur la fig.

3 T, représente la température initiale de la poudre qui est égale à celle de l'intérieur de l'enceinte 17 et Tf représente la température de fusion de la poudre. Ainsi, une première phase de préchauffage par le faisceau d'électrons 20 a lieu à partir de la température initiale T, et jusqu'à une valeur de la température d'environ 0,5Tf, ce qui permet d'obtenir une température élevée des grains de la couche de poudre, sensiblement homogène dans toute la couche, les grains étant disposés côte à côte mais sans liens entre eux, tel que représenté schématiquement sur la figure 3, au niveau du premier palier d'homogénéisation. Une deuxième phase de préchauffage à l'aide du faisceau d'électrons 20 a lieu par la suite, ce qui fait augmenter la température des grains de poudre à une valeur d'environ 0,8Tf, jusqu'à un deuxième palier, appelé palier de diffusion où des ponts de cohésion intermoléculaire se forment entre les grains qui s'agglomèrent et gardent cette organisation initiale (tel que représenté schématiquement sur la fig. 3 à côté du palier de diffusion). A partir de ce palier de diffusion, les grains sont chauffés jusqu'à la température de fusion Tf à l'aide du faisceau laser 19 et la couche de poudre est consolidée, tel que représenté schématiquement sur la fig. 3 par les deux grains fusionnés ensemble. La température de la couche de poudre décroît ensuite lors de sa solidification, tel que représenté par le trait interrompu de la fig. 3. Ces opérations sont reprises couche par couche jusqu'à l'obtention de l'objet tridimensionnel. A titre d'exemple, pour une poudre métallique à base de fer, les indications de températures respectives sont de l'ordre de 800°C pour le - 15 - préchauffage préliminaire d'homogénéisation, 1100°C pour le préchauffage ultime avec création de diffusion, avec une température de fusion avoisinant les 1400-1500°C. [0046] L'exemple illustré à la figure 3 s'applique avantageusement aux poudres de moyenne à grande granulométrie. Le nombre de phases de préchauffage réalisées à l'aide du faisceau d'électrons jusqu'à atteindre le palier de diffusion à environ 0,8 Tf augmente avec la diminution de la granulométrie de la poudre. [0047] D'autres variantes et modes de réalisation de l'invention peuvent être envisagés sans sortir du cadre de ses revendications. Ainsi, on peut utiliser plusieurs sources à faisceau d'électrons pour réaliser le préchauffage et/ou plusieurs sources à faisceau laser pour réaliser la fusion d'une couche de poudre.

Claims

REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'objet tridimensionnel (2) par consolidation successive, couche par couche, des zones sélectionnées d'une strate de poudre, les zones consolidées correspondant à des sections successives de l'objet tridimensionnel, ledit procédé comportant les étapes suivantes prises dans l'ordre : a - déposer une couche de poudre sur un support; b - préchauffer au moins partiellement ladite couche de poudre au moyen d'une première source d'énergie à faisceau d'électrons (20); c - chauffer ladite couche de poudre à l'aide d'une deuxième source d'énergie à faisceau laser (19) apte à fusionner les particules de poudre ; d - réaliser le déplacement relatif du faisceau laser (19) de ladite deuxième source par rapport à l'objet (2) selon une trajectoire prédéterminée de manière à fusionner la poudre et former une section dudit objet; e - répéter au moins les étapes a, c et d de manière à former plusieurs couches de matière fusionnée superposées constituant ledit objet (2).
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on effectue l'étape de préchauffage de ladite couche de poudre en plusieurs phases par déplacement du faisceau d'électrons (20) sur la surface de la couche de poudre de manière à augmenter progressivement la température de la poudre.
3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le nombre de phases de préchauffage de la poudre et la différence de température entre deux phases de préchauffage consécutives sont choisis en fonction de la granulométrie de la poudre.
4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les particules qui composent ladite poudre ont un diamètre moyen compris entre 5um 300um.
5. Procédé selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que la puissance spécifique du faisceau d'électrons (20) appliquée lors de la première phase de préchauffage est comprise entre 2.106 et 50.106 W/cm2 à proportion de 50% à 20% pour un préchauffage préliminaire et de 50% à 80% pour un préchauffage ultime.
6. Procédé selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que la dernière phase de préchauffage à faisceau d'électrons (20) est effectuée simultanément avec le chauffage à faisceau laser (19) selon une même trajectoire prédéfinie de manière à ce que le centre de gravité de la zone d'impact du faisceau d'électrons (20) soit situé en avant par rapport au point d'impact du faisceau laser (19) tel que vu dans le sens de déplacement desdits faisceaux.
7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la distance entre le centre de gravité de la zone d'impact du faisceau d'électrons (20) et le point d'impact du faisceau laser (19) est déterminée en fonction du matériau et de la granulométrie de la couche de poudre.- 17 -
8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite poudre est une poudre métallique.
9. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce le point de focalisation du faisceau d'électrons (20) est situé au-dessus de la surface de ladite couche de poudre.
10. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit objet tridimensionnel (2) est un moule ou une partie de moule pour la fabrication d'un pneumatique.
11. Appareil (1) pour fabriquer un objet tridimensionnel (2) par consolidation successive, couche par couche, des zones sélectionnées d'une strate de poudre, les zones consolidées correspondant à des sections successives de l'objet tridimensionnel, ledit appareil comportant : - des moyens de support (3) dudit objet ; - des moyens de distribution (4) aptes à appliquer une couche de poudre sur ledit support ou sur une couche précédemment consolidée dudit objet ; - une première source d'énergie à faisceau d'électrons (20) réalisée de manière à effectuer le préchauffage au moins partiel de ladite couche de poudre - une deuxième source d'énergie à faisceau laser (19) apte à fusionner les particules de poudre ; - des moyens de déplacement qui réalisent un déplacement relatif du rayonnement de ladite deuxième source à faisceau laser (19) par rapport à l'objet selon une trajectoire prédéterminée de manière à fusionner ladite couche de poudre.
12. Appareil selon la revendication 11, caractérisé en ce que lesdits moyens et sources d'énergie sont placés à l'intérieur d'une enceinte (17) sous vide.
13. Appareil selon l'une des revendications 11 ou 12, caractérisé en ce qu'il comprend une unité de contrôle (9) apte à commander le fonctionnement desdites sources et moyens.
14. Appareil selon l'une des revendications 11 à 13, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de mesure de la température de la couche de poudre reliés à ladite unité de contrôle (9).40