FR3069468A1 - Procedes et dispositifs de fabrication et d'inspection ultrasonore en fabrication additive - Google Patents

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Abstract

La présente invention concerne un procédé de fabrication additive sur lit de poudre et d'inspection ultrasonore qui comprend, simultanément à la fabrication couche par couche de pièces dans le lit de poudre, des étapes de fabrication couche par couche de guides d'ondes ultrasonores, les guides d'ondes ultrasonores permettant d'inspecter le lit de poudre et/ou les pièces pendant l'exécution du procédé de fabrication additive.

Description

PROCEDES ET DISPOSITIFS DE FABRICATION ET D’INSPECTION ULTRASONORE EN FABRICATION ADDITIVE
Domaine de l’invention
L’invention se situe dans le domaine de la fabrication additive et concerne plus particulièrement un procédé et un dispositif d’inspection ultrasonore pour les procédés de fabrication additive.
Etat de la Technique
Le terme de fabrication additive désigne selon la norme NF E 67001, «l’ensemble des procédés permettant de fabriquer couche par couche par ajout de matière un objet physique à partir d’un objet numérique ». Ce terme regroupe des dizaines d’appellations de technologies de fabrication, classées en sept catégories de procédés selon la norme NF ISO 17296-2 Juin 2015, parmi lesquelles figure la catégorie de fusion sur lit de poudre ayant pour abrégé (PBF) de l’anglais « Powder Bed Fusion ».
Les procédés de PBF possèdent le point commun de procéder à une fusion partielle ou totale de poudre statique, la poudre généralement provenant de matériaux métalliques, céramiques ou plastiques.
Les procédés PBF diffèrent selon la nature de la source d’énergie employée pour produire la fusion, qui peut être un laser (procédé dit LMF pour « Laser Métal Fusion »), un faisceau d’électrons ou encore une lampe infrarouge pour ne citer que ces exemples.
Longtemps dédiée au prototypage rapide, l’utilisation de la fabrication additive pour la fabrication de pièces fonctionnelles ne cesse de croître. Ses atouts sont multiples, notamment sa capacité à produire des pièces de haute complexité géométrique inatteignable par d’autres moyens, telles que des structures architecturées, couramment appelées structure « lattice » selon l’anglicisme. La plupart du temps, ces pièces construites strate-par-strate sont bâties sur des structures de supports provisoires afin de stabiliser et solidariser les pièces avec le plateau de fabrication. Ces supports sont conçus pour éviter l’effondrement de métal fondu, notamment lorsqu’une paroi de la pièce possède un angle ou un porte-à-faux important, pour limiter les déformations d’origine thermique et pour évacuer la chaleur issue de l’interaction rayonnement/poudre. Ils sont peu massifs afin d’une part pour limiter la consommation de poudre nécessaire à leur réalisation et d’autre part pour faciliter leur désolidarisation post-fabrication. Ces supports peuvent prendre diverses formes : structure alvéolaire, pylônes multiples, toile d’araignée, structure radeau « raft », etc.
Plusieurs verrous technologiques retardent cependant une plus large diffusion des procédés de PBF, notamment pour la production de pièces de haute criticité. L’un des principaux défis concerne le développement de méthodologies de contrôle et d’assurance qualité permettant de garantir la fiabilité des pièces produites. La maîtrise des procédés et l’inspection de pièces en cours de fabrication sont cruciales à plusieurs titres, notamment pour faire face à leur vitesse de fabrication limitée. Aussi, une identification précoce des non-conformités permet d’éviter des pertes de temps machine et de poudre en poursuivant la fabrication de pièces défectueuses, voire de corriger les écarts/défauts survenus par des rétroactions sur le procédé.
Ces procédés récents et complexes souffrent également de manques d’homogénéité, répétabilité et robustesse, et il n’existe pas d’inspection in-situ qui permettrait de les évaluer et les corriger. De tels contrôles de fabrication sont d’autant plus importants qu’il n’y a pas de vérification santé-matière préalable possible, la forme et le matériau étant produits simultanément, et les géométries obtenues peuvent être si complexes que les possibilités de contrôle post-fabrication sont réduites voire nulles.
Dès lors, de nombreuses stratégies de contrôle de procédé ont été développées, au premier lieu desquelles on peut citer la supervision des paramètres du procédé (par exemple la puissance laser) et de l’environnement de la machine (par exemple les températures, le taux d’oxygène). D’autres méthodes se sont attachées à contrôler la surface du lit de poudre et/ou des faces affleurantes ou débouchantes des pièces, généralement par l’emploi de caméras dans les domaines du visible et de l’infrarouge. Par ailleurs, l’inspection locale du bain de fusion, généralement par une inspection optique coaxiale avec le laser produisant la fusion, fait l’objet de nombre de développements.
Néanmoins, ces divers moyens de contrôles superficiels ou très locaux ne permettent pas d’accéder au cœur de la matière produite et ne saurait garantir l’absence de défauts subsurfaciques ou volumiques. Ceci est d’autant plus important que plusieurs couches sont généralement refondues à chaque passe, limitant la portée d’une observation en surface, et que les couches enterrées subissent des modifications structurales importantes sous l’effet de forts gradients thermiques (des transformations à l’état solide, la création de champs de contrainte conséquents). Ce manque de contrôle santé-matière est dû à la difficulté d’accès à une pièce enterrée dans un lit de poudre du même matériau.
Les ultrasons ont fait l’objet de différents usages en fabrication additive, notamment comme source d’énergie permettant la fabrication (voir la demande de brevet WO2015053644), pour l’assister et l’optimiser (voir la demande de brevet WO2015031453) ou encore pour réduire le niveau de contraintes résiduelles (voir la demande de brevet US20150314373). Leur emploi à des fins de contrôle ou de caractérisation reste très limité. Des méthodes par ultrasons laser ont été employées à plusieurs reprises en fabrication additive, notamment dans le cas de procédés de lit de poudre (voir la demande EP1815936), principalement en raison de sa mise en œuvre sans contact. Cette approche présente néanmoins des limitations, qui sont : une faible efficacité de génération des ultrasons (en comparaison des traducteurs piézoélectriques) ; une forte sensibilité à l’état de surface ; un coût élevé ; et une inspection subsurfacique limitée au voisinage de la surface supérieure sur les dernières couches.
La demande de brevet WO 2015/109096 A1 décrit une méthode d’inspection ultrasonore directe d’une pièce en cours de fabrication dans un lit de poudre, via l’utilisation d’un capteur multiéléments. Cette approche présente des limitations qui la rendent très peu opératoire. En effet, elle impose de fabriquer une pièce directement sur le plateau support, afin de permettre la transmission du faisceau ultrasonore dans celle-ci. Cet ancrage important de la pièce rend sa désolidarisation du plateau délicate voire impossible sans l’endommager, et produit de fortes contraintes dues aux dilatations/rétractations d’origine thermique. Ensuite, la méthode proposée ne permet l’analyse que de pièces massives et très simples, car les procédés de fabrication en lit de poudre sont avantageux pour des pièces géométriquement complexes ayant des épaisseurs très fines, de nombreuses ramifications conduisant à des échos parasites et à une dispersion du signal utile pour lesquelles une inspection ultrasonore usuelle est mal adaptée.
Il existe donc un besoin d’une solution appropriée pour inspecter des pièces en cours de fabrication lors d’un procédé de fabrication additive pour pallier les inconvénients des approches connues. La présente invention répond à ce besoin.
Résumé de l’invention
Un objet de la présente invention concerne un procédé et un dispositif d’inspection et de contrôle ultrasonores de procédés de fabrication additive, et plus particulièrement la famille des procédés de fusion sur lit de poudre.
Le principe général de l’invention consiste à fabriquer des guides d’onde ultrasonore simultanément à la fabrication additive d’une ou plusieurs pièces afin d’inspecter l’homogénéité dans le lit de poudre et/ou inspecter la ou les pièce(s) en cours de réalisation.
La présente invention permet de dépasser les limites majeures d’un contrôle par ultrasons de pièces de haute complexité en cours de fabrication dans un lit de poudre.
Un autre objet de la présente invention est de proposer un procédé et un dispositif de fabrication additive qui comporte un système d’inspection par guides d’onde ultrasonore qui permet de sonder en cours de fabrication, c’est-à-dire « in-process >> selon l’anglicisme consacré, le lit de poudre et/ou des zones clefs de la ou des pièces en cours de réalisation.
La présente invention vise à pallier les limites des techniques d’inspection actuelles en proposant une inspection en volume par ultrasons dans le lit de poudre.
L’invention trouvera des applications avantageuses dans de nombreux domaines techniques tels que les industries aéronautique, spatiale ou automobile, pour ne citer que ces exemples.
Avantageusement, le procédé de l’invention par une inspection ultrasonore réalisée en cours de fabrication, permet d’accéder à divers niveaux d’information sur la qualité des pièces produites dans le lit de poudre.
Pour obtenir les résultats recherchés, il est proposé un procédé de fabrication additive sur lit de poudre caractérisé en ce qu’il comprend des étapes de fabrication couche par couche d’au moins un guide d’ondes ultrasonores simultanément à la fabrication couche par couche d’au moins une pièce dans le lit de poudre, ledit au moins un guide d’ondes ultrasonores permettant d’inspecter le lit de poudre et/ou ladite au moins une pièce pendant l’exécution dudit procédé de fabrication additive.
Selon des modes de réalisation :
- les étapes de fabrication d’au moins un guide d’ondes ultrasonores consistent à fabriquer au moins un guide d’ondes solidaire de ladite au moins une pièce.
- les étapes de fabrication d’au moins un guide d’ondes ultrasonores consistent à fabriquer au moins un guide d’ondes isolé de ladite au moins une pièce.
- le procédé consiste à fabriquer simultanément une pluralité de pièces et une pluralité de guides d’ondes ultrasonores, les guides d’ondes comprenant des guides d’ondes solidaires de certaines pièces et des guides d’ondes isolés de toutes les pièces.
- le procédé consiste à fabriquer simultanément des supports provisoires pour ladite au moins une pièce, tel que au moins un guide d’ondes ultrasonores est intégré à un support provisoire.
L’invention couvre aussi un système de fabrication additive sur lit de poudre comprenant au moins un plateau de construction et des moyens pour mettre en œuvre le procédé de fabrication additive revendiqué.
Dans un mode de réalisation, les moyens pour mettre en œuvre le procédé de fabrication comprennent des traducteurs ultrasonores aptes à envoyer et recevoir chacun au moins un faisceau ultrasonore dans au moins un guide d’ondes pour inspecter le lit de poudre et/ou au moins une pièce en cours de fabrication.
Dans un autre mode de réalisation, les traducteurs sont disposés sous le plateau de construction de manière à ce que chaque traducteur puisse émettre un faisceau ultrasonore dans un guide d’onde respectif fabriqué en son regard.
De manière préférentielle, les traducteurs sont des traducteurs piézoélectriques utilisés en mode émission-réception confondues.
Selon des variantes de réalisation, ledit au moins un guide d’onde :
- est fabriqué couche par couche orthogonalement au plateau de construction ;
- a une géométrie pleine, axiale et sans bifurcation ;
- a une section prédéfinie, choisie dans le groupe des sections de type base ronde, ovale, carrée, triangulaire ou rectangulaire ;
- a un diamètre supérieur au rapport 3*c/f où ‘c’ désigne la vitesse de propagation de l’onde ultrasonore dans le matériau inspecté et ‘f’ la fréquence principale de l’onde ultrasonore.
Dans une utilisation usuelle, le système revendiqué comprend des moyens pour analyser des signaux reçus.
L’invention a aussi pour objet, un procédé d’inspection pour fabrication additive de pièces sur lit de poudre, le procédé comprenant les étapes de :
fabriquer simultanément dans le lit de poudre, une couche pour au moins une pièce et au moins un guide d’ondes ultrasonores ;
émettre en mode émission-réception un faisceau ultrasonore dans ledit au moins un guide d’ondes ;
analyser le signal reçu ; et poursuivre la fabrication sur une couche supplémentaire ou l’interrompre selon le résultat de l’analyse.
Selon des modes d’exécution :
- l’étape d’analyse du signal reçu consiste à déterminer s’il existe un défaut ;
- l’étape d’analyse du signal reçu consiste à déterminer s’il existe un défaut dans la pièce et/ou dans le lit de poudre ;
- l’étape d’analyse du signal reçu comprend de plus une étape de comparaison du signal reçu avec un signal issu d’une simulation numérique de contrôle ultrasonore.
L’invention a aussi pour objet un dispositif d’inspection pour fabrication additive de pièces sur lit de poudre, qui comprend des moyens pour mettre en œuvre les étapes du procédé revendiqué.
Description des figures
Différents aspects et avantages de l’invention vont apparaître en appui de la description d’un mode préféré d’implémentation de l’invention mais non limitatif, avec référence aux figures ci-dessous :
La figure 1 est une représentation simplifiée d’un système de fabrication additive permettant d’implémenter le dispositif de l’invention;
La figure 2 illustre sur une vue en coupe, un premier mode de réalisation du dispositif de l’invention;
Les figures 3a à 3c illustrent sur une vue en coupe la double fonctionnalité du guide d’ondes ultrasonores du dispositif de l’invention dans un mode de réalisation;
Les figures 4 à 6 illustrent sur une vue en coupe, différents modes de réalisation du dispositif de l’invention;
La figure 7 illustre le flux des opérations pour la mise en œuvre du procédé de fabrication additive de l’invention;
La figure 8 illustre un enchaînement d’étapes du procédé d’inspection de l’invention dans un mode de réalisation.
Description détaillée de l’invention
La figure 1 montre un système de fabrication additive (100) permettant d’implémenter le dispositif de l’invention, comprenant un plateau de construction (102) sur lequel une ou plusieurs pièces (104) sont fabriquées selon un procédé de fabrication additive sur un lit de poudre (106). Le système comprend un réservoir de poudre (108) et un diffuseur de poudre (110) qui permet d’amener une couche de poudre du réservoir vers le plateau support où sous l’effet d’une source de chaleur (112), la fusion de la poudre opère pour produire une couche de la ou des pièces à fabriquer. Le processus se répète couche par couche jusqu’à l’obtention de la ou des pièces finales. Il n’est pas décrit plus en détail le procédé complet, et l’homme du métier pourra se reporter à la nombreuse littérature sur les procédés de fabrication additive et les variantes de réalisation basées sur ce même principe.
La figure 2 est une vue en coupe d’un système de fabrication additive selon un premier mode de réalisation de l’invention. Il est à noter que les éléments identiques entre les figures portent les mêmes références. Pour des raisons de simplification de la description mais n’étant en rien limitatif, la figure montre une seule pièce arrivée au terme de sa fabrication selon un procédé sur lit de poudre par laser. L’homme du métier étendra les principes décrits aux cas de fabrication additive d’une pluralité de pièces pouvant être de taille et forme identiques ou variables, ayant des géométries simples ou complexes. Dans l’exemple choisi, la pièce (202) est fabriquée sur une structure support provisoire (204) permettant de la stabiliser sur un plateau de construction (206). Le principe général de l’invention consiste à fabriquer des guides d’ondes ultrasonores (208-1 à 208-4, 210) selon le procédé de fabrication additive sur lit de poudre, simultanément à la fabrication de la pièce. Les guides d’ondes, qui peuvent être désignés dans la description par l’acronyme GO, sont fabriqués par fusion de la poudre, tout comme les supports provisoires et les pièces. Ils sont ancrés sur la face supérieure du plateau de construction (206). La fabrication des GO est réalisée avec une stratégie de balayage similaire ou identique à celle des pièces attenantes, notamment en termes de puissance laser, vitesse laser et trajectoires, rendant l’opération d’inspection par les GO plus représentative de la qualité des pièces attenantes ou supportées.
Directement fabriqués sur le plateau de construction, les GO peuvent optionnellement présenter une légère réduction de section au niveau de leur ancrage avec le plateau et, le cas échéant, avec la pièce, afin de faciliter leur désolidarisation. L’homme du métier comprend que la réduction de section doit être limitée de sorte à ne pas induire d’artefact sur les faisceaux ultrasonores émis et réfléchis.
Les GO ont de manière préférentielle une géométrie simple, pleine et axiale, sans bifurcation tout au long de la zone d’inspection. Leur section est prédéfinie pour permettre le passage d’un faisceau ultrasonore d’inspection, tout en minimisant la consommation de poudre et de temps de procédé afin de la réaliser. Dans un mode de réalisation préférentielle, les guides d’ondes sont construits comme des cylindres érigés simultanément avec la pièce (ou le lot de pièces) et sa structure support, couche après couche. Dans différents modes de réalisation, les GO peuvent présenter d’autres géométries de sections comme des bases rondes, ovales, carrées, triangulaires, rectangulaires, etc.
La section minimale d’un GO est choisie en fonction du matériau inspecté et de l’onde ultrasonore utilisée pour l’inspection, singulièrement son type et sa fréquence. Aussi, le diamètre d’un GO est toujours choisi supérieur au rapport « c/f >>, et de manière préférentielle supérieur à « 3*c/f », où « c >> désigne la vitesse de propagation de l’onde ultrasonore dans le matériau inspecté et « f >> la fréquence principale de l’onde ultrasonore.
A titre d’exemple, pour l’inspection d’un lit de poudre en acier avec une onde transversale de 10 MHz, la vitesse de propagation des ondes transversales dans l’acier étant de 3230 m/s, alors le diamètre d’un GO cylindrique doit excéder « c/f=323 pm >>, et de manière préférentielle doit excéder « 3*c/f=969 pm >>. La dimension préférentielle minimale d’un GO est de l’ordre du millimètre.
Revenant à la figure 2, des traducteurs ultrasonores (212-1 à 2124, 213) solidaires du plateau de construction sont disposés sous le plateau de manière à pouvoir émettre chacun un faisceau acoustique dans un GO fabriqué en son regard. Ainsi, sur l’exemple, un traducteur (212-1 à 212-4) est positionné respectivement sous le plateau à l’endroit de la fabrication de chaque GO (208-1 à 208-4) et de manière similaire un traducteur (213) est positionné sous le plateau à l’endroit de la fabrication du GO (210).
Dans un mode de réalisation préférentielle, le traducteur est un traducteur piézoélectrique utilisé en mode émission-réception confondues, dite « pulse-echo » selon l’anglicisme reconnu. Chaque guide d’onde permet d’acheminer un signal ultrasonore au cœur du lit de poudre pour réaliser une inspection de la santé matière. Le faisceau se propage dans le GO parallèlement à l’axe du GO. Une implémentation préférentielle est celle où les guides d’ondes sont orthogonaux au plateau de construction, c’est-à-dire verticaux dans le lit de poudre, afin de permettre que la majeure partie du signal se réfléchissant sur la face supérieure se dirige vers le récepteur.
Le traducteur qui est solidaire de la face arrière du plateau de construction est monté de façon à assurer la liaison acoustique entre le traducteur et le plateau. Ceci peut être obtenu par exemple par l’emploi d’une couche d’agent de couplage (graisse, huile, colle cellulosique, gels spéciaux) qui peut avoir une épaisseur de l’ordre d’un à plusieurs dixièmes de millimètre. Le traducteur et le couplant sont sélectionnés pour résister à la température maximale du plateau (qui est fonction du matériau fusionné et de la stratégie de fabrication, typiquement de l’ordre de quelques dizaines de °C).
Le diamètre d’un GO est défini de manière préférentielle comme étant celui ou légèrement supérieur (e.g. +10%) à la dimension de la pastille piézoélectrique du traducteur. Les traducteurs usuels à la date de dépôt de la demande de brevet présentant des dimensions de quelques millimètres, généralement une fraction de pouce, les GO ont par exemple un diamètre de l’ordre de 1,6 mm pour un capteur d’ouverture 1/16 de pouce, de l’ordre de 3,4 mm pour un capteur d’ouverture 1/8 de pouce, ou encore de l’ordre de 6,4 mm pour un capteur d’ouverture % de pouce.
En vue de minimiser le temps et la poudre nécessaires à leur fabrication, de manière préférentielle le diamètre des GO pour des dispositifs de fabrication additive usuels n’excède pas quelques centimètres.
L’homme du métier peut déduire le dimensionnement de GO présentant des géométries de sections différentes selon les mêmes principes, en remplaçant le diamètre par la plus petite dimension de la section, comme le plus petit axe de l’ellipse ou le plus petit côté du rectangle par exemple.
Le ou les traducteurs sont reliés à un système d’acquisition électronique (214) qui permet la numérisation des signaux analogiques reçus de chaque traducteur. Le système d’acquisition électronique envoie à intervalles de temps fixés des puises d’excitation vers le traducteur et réceptionne tout signal réfléchit par le GO dans un intervalle de temps inférieur à l’intervalle entre les puises. Le signal numérisé peut être stocké pour être visualisé et un traitement des données peut être fait en vue de la détection d’anomalie du processus. Le traitement peut avoir pour issue de déclencher une alarme vis-à-vis du processus de fabrication et d’interrompre le cycle de fabrication en cours.
Avantageusement, selon le principe de l’invention, deux types de guides d’ondes peuvent être fabriqués simultanément à la fabrication de pièces, chaque GO ayant un emplacement et une fonctionnalité différents. Ainsi, le procédé permet de fabriquer:
- des GO-témoins ; et
- des GO-supports.
Les GO-témoins ne présentent aucun contact avec les pièces en fabrication, ils sont isolés des pièces et sont insérés dans des emplacements libres de pièces comme témoins de conformité.
Les GO-supports sont intégrés aux supports provisoires de pièces en fabrication. Un GO-support est solidaire d’une pièce, et selon son emplacement sur la pièce, il peut être solidaire de la pièce soit dès la réalisation des premières couches de la pièce, soit devenir solidaire d’une pièce ultérieurement au cours de la fabrication. Les guides d’ondes solidaires d’une pièce servent en acheminant un faisceau ultrasonore, à l’inspection de la pièce elle-même.
Sur l’exemple choisi de la figure 2, cinq guides d’ondes ultrasonores sont illustrés, un GO-témoin (210) et quatre GO-supports (208-1 à 208-4) sans que cela soit limitatif, le nombre de GO-témoins et de GO-supports pouvant varier.
Une première fonction des GO-témoins est de renseigner sur l’absence d’écarts ou de défauts en cours de fabrication dans un lit de poudre, particulièrement lorsque les pièces construites simultanément présentent des complexités géométriques telles qu’elles limitent ou interdisent leur contrôle direct. Dans une implémentation avantageuse, un GO-témoin est localisé au voisinage d’une pièce, ou de chaque pièce critique. Un GO-témoin peut être disposé dans une proximité d’une pièce allant du millimètre à quelques centimètres afin d’accroitre la représentativité du contrôle par GO-témoin pour qualifier une pièce. Dans d’autres implémentations, notamment dans le cas de pièces de grandes dimensions et/ou de haute criticité, une pluralité de GO-témoins peut être placée au voisinage d’une pièce, par exemple sur tout son pourtour.
Une deuxième fonctionnalité des GO-témoins est d’évaluer l'homogénéité de la fabrication au sein du lit de poudre. En effet, les lits de poudre connaissent des variabilités notoires, dues par exemple à une compacité variable de la poudre, à des hétérogénéités de températures ou à une variation de la puissance laser selon son angle d’incidence (angle supérieur en bordure du plateau par rapport au centre). La comparaison des signaux ultrasonores des différents GO-témoins, en particulier la comparaison des indicateurs de taux de porosité ou de densité, permet de qualifier l'homogénéité sur le plateau. Dans une implémentation avantageuse, une pluralité de GO-témoins identiques est répartie au sein du lit de poudre, de manière intercalée entre les différentes pièces à fabriquer. Le nombre de GO-témoins peut varier et aller de au moins un à plusieurs dizaines. Un GO-témoin diffère d’une simple pièce de contrôle en ce sens que son positionnement est adapté, voire optimisé, pour l’inspection au voisinage d’une pièce ou de l’ensemble de la surface du plateau. L’ancrage sur le plateau des GOtémoins ne ramène pas un inconvénient en ce sens que les GO-témoins peuvent être sacrificiels, contrairement à des pièces témoins.
Les GO-support sont intégrés aux supports provisoires de pièces en fabrication, et servent à acheminer le faisceau ultrasonore dans la pièce. Ils diffèrent des supports provisoires en ce qu’ils ont des sections plus grandes que celles des éléments usuels. La section des GOsupports est choisie de dimension suffisante pour permettre le passage du faisceau ultrasonore d’inspection, tout en étant minimisée pour d’une part éviter une consommation excessive de poudre pour les réaliser et d’autre part éviter une trop forte concentration de contraintes.
Avantageusement, des GO-support seront disposés de manière à acheminer le faisceau dans des zones critiques de la pièce. Il peut notamment s’agir de régions dans lesquelles l’apparition de défauts est fréquente ou probable, comme par exemple la zone frontière entre un balayage laser du contour et un balayage de remplissage, les régions à fort gradient thermique ou concentration de contrainte (généralement identifiée par simulation), les trajectoires de lasers présentant de fortes courbures ou hautes vitesses de passage, où toute région connue de l’homme de l’art comme « défaut-gène >>. Il peut également s’agir de zones critiques quant à la fiabilité de la pièce où toute imperfection peut avoir des conséquences importantes sur la fonction de la pièce. Il peut aussi s’agir de régions qui seront difficilement accessibles à tout contrôle post-fabrication.
Un GO-support intégré à la structure support présente avantageusement une symétrie ou une périodicité pour limiter l’asymétrie des déformations à l’échelle de la pièce. Par exemple, des GO-support peuvent être présents sur l’ensemble de la zone de supportage de la pièce, séparés par « n >> supports usuels, « n >> étant constant entre chaque GO-support.
Les figures 3a à 3c montrent sur une vue en coupe, différents stades de la fabrication d’une pièce (202) illustrant la fabrication de manière simultanée de guides d’ondes ultrasonores (208-1 à 208-4) selon le principe de l’invention. Sur la figure 3a qui illustre un stade précoce de la fabrication, un seul guide d’onde (208-2) atteint la pièce, ayant alors une fonctionnalité de GO-support pour inspecter la pièce. Il est visible que trois guides d’ondes (208-1, 208-2, 208-4) qui sont aussi fabriqués simultanément n’atteignent pas la pièce. Ils peuvent alors être utilisés lors de l’inspection comme GO-témoins pour vérifier l’homogénéité du lit de poudre.
La figure 3b illustre une étape intermédiaire de fabrication de la pièce où deux guides d’ondes (208-2, 208-3) atteignant la pièce peuvent être utilisés comme GO-support et où deux guides d’ondes (208-1,208-2) n’atteignant pas la pièce peuvent être utilisés comme GO-témoins.
La figure 3c illustre l’étape finale où la pièce est fabriquée avec les quatre guides d’ondes (208-1 à 208-4) fabriqués simultanément, qui sont utilisés comme GO-supports.
L’exemple de la figure 3 est simplifié, mais ne limite pas les variantes de réalisation où des guides d’onde témoins, indépendants de la pièce peuvent aussi être fabriqués simultanément (comme le GOtémoin 210 sur la figure 2).
Ainsi, avantageusement, le procédé de l’invention permet au cours d’un même cycle de fabrication additive sur lit de poudre de combiner l’inspection du lit de poudre de manière concomitante à celle d’une ou plusieurs pièces en fabrication.
Avantageusement, le procédé de l’invention permet au cours d’un même cycle de fabrication additive sur lit de poudre de fabriquer des pièces et des dispositifs d’inspection de ces pièces et d’inspection du lit de poudre.
La figure 4 montre sur une vue en coupe un mode de réalisation de l’invention pour lequel un seul traducteur multiéléments (408) est utilisé pour plusieurs guides d’ondes supports (406-1, 406-2, 406-3) d’une même pièce (402) ayant des supports provisoires (404). Dans cette configuration, le traducteur permet d’inspecter tour-à-tour par envoi d’un faisceau ultrasonore dans chaque GO-support, la pièce en trois localités, en adaptant les lois de retard bien connues pour diriger le faisceau selon l’axe du traducteur souhaité. Ainsi avantageusement, le dispositif de l’invention permet une inspection en plusieurs zones d’une pièce en fabrication.
Dans une implémentation où le traducteur est utilisé en mode émission-réception, configuration dite de « pulse-echo >>, l’inclinaison des guides d’ondes (406-1, 406-3) est limitée à la possibilité de recevoir un signal exploitable par le récepteur. Des variantes où les GO ne sont pas perpendiculaires au plateau de construction peuvent être:
(a) Dans le cas de GO-témoin, lorsque le fond de zone locale inspectée est perpendiculaire au GO qui y achemine le faisceau. Un exemple d’une telle configuration est celui de la figure 4 où deux GO (406-1,406-3) sont inclinés. Le faisceau transmis au travers d’un GO-support se réfléchit sur le fond de la pièce avant de revenir au traducteur. Une telle configuration limite l’inspection (densité du matériau, mesure de l’épaisseur des couches, etc.) avant que la pièce ne soit réalisée, ou plus exactement avant que le fond de la pièce de la zone locale analysée ait été entièrement fabriqué, permettant la réflexion idoine du faisceau. Seules les méthodes de caractérisation basée sur le signal rétrodiffusé par les micro-défauts ou les échos des porosités de grandes dimensions restent opératoires.
(b) Lorsque le GO, témoin ou support, a pour seule fonction de détecter des défauts de grandes dimensions sur la base de leur écho de réflexion propre. Dans ce cas, un écho de fond n’est pas nécessaire. À la façon d’un sonar, l’absence de signal détecté témoigne de l’absence de défaut, tandis qu’un retour signifie sa présence.
(c) Lorsque des GO-témoins sont fabriqués avec une longueur inférieure à la hauteur du lit de poudre et s’achèvent par un biseau perpendiculaire à leur axe. Cette configuration n’autorise une caractérisation que lorsque le GO est achevé. Une illustration de cette configuration est présentée par la figure 5 avec les GO-témoins (506-1,506-2).
Dans les cas (b) et (c), l’axe du GO-témoin a préférentiellement une orientation identique à celle d’un des axes ou d’une des directions principales de la pièce, pour être plus représentatif de la qualité de la pièce.
La figure 6 illustre une variante de réalisation de l’invention dans laquelle un traducteur émetteur (608-1) est distinct d’un traducteur récepteur (608-2), configuration dite de « pitch and catch ». Avantageusement, cette configuration permet de réduire la sensibilité à l’orientation du défaut, notamment dans les cas de fissures.
La figure 7 illustre le flux des opérations préparatoires pour la mise en œuvre du procédé de fabrication additive et d’inspection de l’invention. Dans une première étape (702), chaque pièce devant être fabriquée est modélisée dans un système de Conception Assisté par Ordinateur (CAO). Dans une seconde étape (704), des lots de pièces sont créés par sélection de fichiers, permettant de regrouper des pièces pouvant être fabriquées simultanément sur un même lit de poudre. Dans une étape suivante (706), des modèles CAO pour les supports provisoires et pour les guides d’ondes supports et témoins sont conçus.
L’ensemble des modèles CAO - pièces, supports, GOs - est converti (708) dans un format de fichiers apte à être utilisé par un système de fabrication additive, tel le format STL, où les modèles sont décrits couche par couche. La dernière étape (710) avant de lancer le procédé de fabrication et d’inspection (800), consiste à déterminer la stratégie de fabrication, c’est-à-dire, par exemple définir les paramètres du balayage laser.
Le positionnement des GO-témoins peut être identique d’un lot de fabrication à l’autre, ce qui permet d’éviter de déplacer les traducteurs d’une impression à l’autre. Les pièces sont alors disposées entre ces derniers. Préférentiellement, les GO-témoins et les GO-supports sont intégrés lors de la conception du lit de poudre, simultanément à la conception des supports provisoires, une fois le groupement de pièces à fabriquer simultanément, identifié.
La figure 8 illustre un enchaînement d’étapes (800) de la mise en oeuvre du procédé de fabrication et d’inspection de l’invention dans un mode de réalisation. Le procédé opère la fabrication couche par couche des pièces, des supports provisoires et des guides d’ondes (GO-supports et GO-témoins) selon les données reçues des fichiers créés précédemment.
Une inspection (804) peut être réalisée à divers instants durant la fabrication, dès lors qu’une ou quelques couches ont été fabriquées (802). De manière préférentielle, une étape d’inspection est lancée pour sonder des zones refroidies, où la température est inférieure à 300°C, préférentiellement inférieure à 100°C, et où le gradient thermique est limité le long du guide d’ondes.
Alternativement, une inspection peut être lancée à la fin de la réalisation de chaque couche, ou encore après la réalisation de toutes les couches.
Dans d’autres variantes, une inspection peut être réalisée dans une région du lit de poudre tandis que le laser irradie une autre région pour fabriquer les pièces de manière concomitante.
L’inspection ultrasonore consiste à envoyer un faisceau ultrasonore en mode émission-réception dans le(s) guide(s) d’ondes témoins et/ou supports, et analyser le(s) signal(aux) reçu(s). Dans une réalisation concrète, la fréquence ultrasonore d’inspection peut être comprise entre 0,5 MHz à 20 MHz, préférentiellement comprise entre 5 MHz et 20 MHz, l’ouverture du capteur peut aller de 1,59 mm à 25,4 mm, préférentiellement de 3,175 mm à 12,7 mm. L’analyse du signal peut être faite selon des techniques connues d’analyse ultrasonore. L’analyse peut comporter la comparaison des signaux ultrasonores reçus de différents GO-témoins.
Une intervention/interruption du procédé peut être réalisée si des défauts sont détectés (branche oui de 808), sinon le procédé de fabrication se poursuit pour fabriquer la couche suivante (810).
Dans les cas de géométries complexes, et/ou la présence de multiples défauts ou de bruit parasite, les signaux ultrasonores reçus sur les détecteurs associés aux GO, peuvent être délicats à interpréter. Il peut par exemple être difficile de décorréler un défaut d’un écho sur les parois de la pièce ou de quantifier la densité du matériau. Aussi, avantageusement, l’analyse des signaux issus de l’inspection par les GO de l’invention peut être couplée avec celle de signaux issus d’une simulation numérique du contrôle ultrasonore. Dans une application concrète, des signaux obtenus par le logiciel commercial CIVA du déposant, permet d’augmenter la possibilité d’interprétation et d’exploitation des signaux mesurés par l’inspection ultrasonore de l’invention. Comme la chaîne numérique de la fabrication additive présente la spécificité de produire des fichiers CAO d’une pièce ou d’un lot de pièces tranchées, pour chaque couche de leur réalisation, ces fichiers CAO peuvent avantageusement être utilisés comme données d’entrées (803) pour une comparaison (806) entre les signaux mesurés et les signaux attendus.
Ainsi avantageusement, l’inspection ultrasonore de l’invention permet d’accéder à divers niveaux d’information sur la qualité des pièces produites dans le lit de poudre. Elle permet de détecter l’apparition de défauts ponctuels, tels des particules de poudre non-fusionnées ou des porosités.
La dimension des défauts détectables est fonction du choix du capteur utilisé et du matériau inspecté. La taille minimale Dmin des défauts individuellement identifiables est donnée par l’équation :
Dmin > λ/2 = c/(2*f) où « λ >> est la longueur d’onde ultrasonore dans le matériau inspecté, « c >> est la vitesse des ultrasons dans ce matériau et « f >> est la fréquence ultrasonore d’inspection. En pratique, en raison du bruit de mesure, il est estimé que la dimension des défauts identifiables Dmin est de l’ordre de :
Dmini > λ = c/f
A titre d’exemple, une inspection par ondes transversales de 20 MHz dans l’acier (caCier=3230 m/s) a pour limite absolue de détection Dmin =3230 / (2*20.106) = 81 pm, ou en pratique, de l’ordre de Dmin=162 pm.
Selon le niveau de bruit, ces valeurs peuvent varier, cependant la méthode d’inspection de l’invention permet de détecter des défauts localisés d’une dimension de plusieurs centaines de micromètres.
La fissuration du matériau, par exemple sous l’effet de contraintes d’origine thermiques, peut également être détectée dès l’apparition de fissures de mêmes dimensions. L’identification d’un tel défaut se base sur la détection d’un écho issu de l’interaction de l’onde ultrasonore avec le défaut, dont le temps de vol permet de localiser ledit défaut. Cet écho peut être détecté par soustraction du signal reçu à un temps précédent par le même GO.
Dans un autre mode de mise en œuvre, le contrôle ultrasonore par GO peut être utilisé pour évaluer la qualité du matériau fusionné. Des indicateurs du taux de porosité du matériau ou de sa densité ou de la raideur du matériau fusionné peuvent également être extraits des signaux mesurés, en se basant notamment sur l’atténuation du signal et/ou son spectre fréquentiel et/ou sur les caractéristiques du signal rétrodiffusé. Un étalonnage en mesurant a posteriori le taux de porosité ou la densité de différents GO-témoins par des méthodes conventionnelles (tomographie, double-pesage, microscopie et traitement d’image...) permet optionnellement de convertir ces indicateurs en grandeurs physiques dans certain cas.
Une autre utilisation de la méthode d’inspection par ultrasons dans les guides d’onde, permet d’identifier des écarts de procédé, caractéristiques de la fabrication additive en lit de poudre, au premier desquels compte le défaut de mise en couche. Ce défaut résultant d’une mauvaise interpénétration lors de la fusion de deux couches successives, cela se traduit par une discontinuité interfaciale produisant un écho de réflexion qui est détectable.
Le contrôle ultrasonore proposé permet également de mesurer l’épaisseur des couches produites, par la conversion du temps de vol de l’écho de surface en distance, qui peut également être affiné par un étalonnage des vitesses de propagation dans le matériau produit.
Par ailleurs, avantageusement après la fabrication simultanée d’un lot de pièces et de GO (témoin et/ou support), ces derniers peuvent être prélevés pour des analyses (destructives) complémentaires, leur proximité avec les pièces dans le lit de poudre les rendant fort représentatives de celles-ci. On peut citer à titre d’exemple des caractérisations métallurgiques ou des essais mécaniques (après usinage ou non).
La présente description illustre une implémentation préférentielle de l’invention, mais n’est pas limitative. Un exemple a été choisi pour permettre une bonne compréhension des principes de l’invention, et une application concrète, mais il n’est en rien exhaustif et doit permettre à l’homme du métier d’apporter des modifications et variantes d’implémentation en conservant les mêmes principes. Ainsi, bien que la 5 présente invention concerne de manière préférentielle la fabrication simultanée de guides d’ondes et de pièces, le procédé peut être opéré pour la seule fabrication de guides d’ondes isolés sur un plateau test afin de caractériser l’homogénéité du lit de poudre. Par ailleurs, l’invention a été décrite pour des matériaux métalliques, mais elle peut être appliquée 10 à d’autres matériaux suffisamment conducteurs d’ondes ultrasonores aux fréquences d’intérêt, comme certaines céramiques. Enfin, bien que la présente invention a été décrite pour un procédé de fusion de poudre par laser, la méthode est transposable à d’autres sources d’activation de la fusion.

Claims (19)

1. Un procédé de fabrication additive sur lit de poudre caractérisé en ce qu’il comprend des étapes de fabrication couche par couche d’au moins un guide d’ondes ultrasonores simultanément à la fabrication couche par couche d’au moins une pièce dans le lit de poudre, ledit au moins un guide d’ondes ultrasonores permettant d’inspecter le lit de poudre et/ou ladite au moins une pièce pendant l’exécution dudit procédé de fabrication additive.
2. Le procédé selon la revendication 1 dans lequel les étapes de fabrication d’au moins un guide d’ondes ultrasonores consistent à fabriquer au moins un guide d’ondes solidaire de ladite au moins une pièce.
3. Le procédé selon la revendication 1 dans lequel les étapes de fabrication d’au moins un guide d’ondes ultrasonores consistent à fabriquer au moins un guide d’ondes isolé de ladite au moins une pièce.
4. Le procédé selon les revendications 2 ou 3 caractérisé en ce qu’il consiste à fabriquer simultanément une pluralité de pièces et une pluralité de guides d’ondes ultrasonores, et en ce que les guides d’ondes comprennent des guides d’ondes solidaires de certaines pièces et des guides d’ondes isolés de toutes les pièces.
5. Le procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce qu’il comprend la fabrication simultanée de supports provisoires pour ladite au moins une pièce, et en ce que au moins un guide d’ondes ultrasonores est intégré à un support provisoire.
6. Un système de fabrication additive sur lit de poudre comprenant au moins un plateau de construction et des moyens pour mettre en œuvre le procédé de fabrication additive selon l’une quelconque des revendications 1 à 5.
7. Le système selon la revendication 6 dans lequel les moyens pour mettre en œuvre le procédé de fabrication comprennent des traducteurs ultrasonores aptes à envoyer et recevoir chacun au moins un faisceau ultrasonore dans au moins un guide d’ondes pour inspecter le lit de poudre et/ou au moins une pièce en cours de fabrication.
8. Le système selon la revendication 7 dans lequel les traducteurs sont disposés sous le plateau de construction de manière à ce que chaque traducteur puisse émettre un faisceau ultrasonore dans un guide d’onde respectif fabriqué en son regard.
9. Le système selon la revendication 7 ou 8 dans lequel les traducteurs sont des traducteurs piézoélectriques utilisés en mode émission-réception confondues.
10. Le système selon l’une quelconque des revendications 6 à 9 dans lequel ledit au moins un guide d’onde est fabriqué couche par couche orthogonalement au plateau de construction.
11. Le système selon l’une quelconque des revendications 6 à 10 dans lequel ledit au moins un guide d’onde a une géométrie pleine, axiale et sans bifurcation.
12. Le système selon l’une quelconque des revendications 6 à 11 dans lequel ledit au moins un guide d’onde a une section prédéfinie choisie dans le groupe des sections de type base ronde, ovale, carrée, triangulaire ou rectangulaire.
13. Le système selon l’une quelconque des revendications 6 à 12 dans lequel le diamètre dudit au moins un guide d’onde est supérieur au rapport 3*c/f où ‘c’ désigne la vitesse de propagation de l’onde ultrasonore dans le matériau inspecté et ‘f’ la fréquence principale de l’onde ultrasonore.
14. Le système selon l’une quelconque des revendications 6 à 13 comprenant de plus des moyens pour analyser des signaux reçus.
15. Un procédé d’inspection pour fabrication additive de pièces sur lit de poudre, le procédé comprenant les étapes de :
- fabriquer simultanément dans le lit de poudre, une couche pour au moins une pièce et au moins un guide d’ondes ultrasonores ;
- émettre en mode émission-réception un faisceau ultrasonore dans ledit au moins un guide d’ondes ;
- analyser le signal reçu ; et
- poursuivre la fabrication sur une couche supplémentaire ou l’interrompre selon le résultat de l’analyse.
16. Le procédé selon la revendication 15 dans lequel l’étape d’analyse du signal reçu consiste à déterminer s’il existe un défaut.
17. Le procédé selon la revendication 16 dans lequel l’étape d’analyse
5 du signal reçu consiste à déterminer s’il existe un défaut dans la pièce et/ou dans le lit de poudre.
18. Le procédé selon l’une quelconque des revendications 15 à 17 dans lequel l’étape d’analyse du signal reçu comprend de plus une
10 étape de comparaison du signal reçu avec un signal issu d’une simulation numérique de contrôle ultrasonore.
19. Dispositif d’inspection pour fabrication additive de pièces sur lit de poudre, le dispositif comprenant des moyens pour mettre en oeuvre
15 les étapes du procédé selon l’une quelconque des revendications
15 à 18.
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113547135B (zh) * 2021-07-20 2022-09-20 厦门大学 一种金属3d打印的在线检测方法、金属3d打印机及设备
CN115138867B (zh) * 2022-07-22 2024-04-26 南京航空航天大学 一种激光增材制造梯度材料成型质量实时监测反馈与优化的装置与方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015109096A1 (fr) * 2014-01-17 2015-07-23 United Technologies Corporation Système de fabrication additive avec inspection à ultrasons et procédé de fonctionnement
US20160311024A1 (en) * 2015-04-22 2016-10-27 Eos Gmbh Electro Optical Systems Method and Device for Producing a Three-Dimensional Object
DE102015219013A1 (de) * 2015-10-01 2017-04-06 Siemens Aktiengesellschaft Fertigung eines Referenzkörpers während der generativen Herstellung eines Bauteils

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB0601982D0 (en) 2006-02-01 2006-03-15 Rolls Royce Plc Method and apparatus for examination of objects and structures
US20150064047A1 (en) 2013-08-28 2015-03-05 Elwha Llc Systems and methods for additive manufacturing of three dimensional structures
RO130409B1 (ro) 2013-10-11 2019-04-30 Institutul Naţional De Cercetare-Dezvoltare Pentru Microtehnologie Procedeu de manufacturare rapidă folosind fascicul focalizat de ultrasunete
US10556270B2 (en) 2014-05-01 2020-02-11 United Technologies Corporation Additive manufacturing system for minimizing thermal stresses

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015109096A1 (fr) * 2014-01-17 2015-07-23 United Technologies Corporation Système de fabrication additive avec inspection à ultrasons et procédé de fonctionnement
US20160311024A1 (en) * 2015-04-22 2016-10-27 Eos Gmbh Electro Optical Systems Method and Device for Producing a Three-Dimensional Object
DE102015219013A1 (de) * 2015-10-01 2017-04-06 Siemens Aktiengesellschaft Fertigung eines Referenzkörpers während der generativen Herstellung eines Bauteils

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