FR3073761A1 - IMPROVED TOOLS FOR ADDITIVE MANUFACTURE - Google Patents
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Abstract
L'invention se rapporte à un outillage (100) pour la fabrication additive d'une pièce par dépôt de poudre, l'outillage comprenant une buse (10) d'éjection de poudre présentant un premier passage (26) destiné à être traversé par la poudre (2) à déposer, ainsi qu'un dispositif émetteur d'ultrasons (40) associé à la buse (10) pour la faire vibrer et éviter le colmatage du premier passage (26).The invention relates to a tool (100) for the additive manufacturing of a part by powder deposition, the tooling comprising a powder ejection nozzle (10) having a first passage (26) to be traversed by the powder (2) to be deposited, and an ultrasound emitting device (40) associated with the nozzle (10) to vibrate and prevent clogging of the first passage (26).
Description
OUTILLAGE AMELIORE POUR LA FABRICATION ADDITIVE DESCRIPTIONIMPROVED TOOLS FOR ADDITIVE MANUFACTURING DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUETECHNICAL AREA
La présente invention se rapporte au domaine de la fabrication additive, et plus particulièrement aux outillages permettant la mise en œuvre de cette technique de fabrication, également dénommée fabrication 3D.The present invention relates to the field of additive manufacturing, and more particularly to the tools allowing the implementation of this manufacturing technique, also called 3D manufacturing.
Elle concerne plus spécifiquement les outillages permettant un dépôt de poudre couche par couche, destiné à être en partie solidifié à l'aide d'un faisceau laser.It relates more specifically to the tools allowing a deposition of powder layer by layer, intended to be partly solidified using a laser beam.
ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURESTATE OF THE PRIOR ART
Les outillages conventionnels prévus pour mettre en œuvre une telle technique de fabrication additive présentent habituellement une buse d'éjection, par exemple équipée d'un passage de forme conique pour éjecter la poudre sur les couches de poudres préalablement déposées. Plus précisément, la buse permet l'ajout de poudre directement dans un bain liquide formé par un faisceau laser, qui traverse un ensemble d'éléments optiques situés généralement au sein de la buse.Conventional tools intended to implement such an additive manufacturing technique usually have an ejection nozzle, for example equipped with a passage of conical shape for ejecting the powder onto the powder layers previously deposited. More specifically, the nozzle allows the addition of powder directly into a liquid bath formed by a laser beam, which passes through a set of optical elements generally located within the nozzle.
En fonction de la morphologie et de la granulométrie de la poudre qui traverse la buse, le passage dédié au sein de celle-ci est sujet à un risque de colmatage total ou partiel, en particulier en raison de la formation d'agglomérats de particules. Dans une telle situation, la poudre ne s'écoule plus de la buse, ou bien seulement avec un débit réduit par rapport à celui escompté, ou encore avec une distribution hétérogène de densités de particules au sein du faisceau de poudre. Par conséquent, le faisceau laser n'interagit plus correctement avec la poudre, et il se réfléchit dans le bain liquide jusqu'à éventuellement fragiliser la source laser, ce qui induit un risque pour l'utilisateur ainsi que pour l'outillage. Le procédé de fabrication doit alors être stoppé, et la pièce mise au rebut.Depending on the morphology and the particle size of the powder which passes through the nozzle, the dedicated passage within the nozzle is subject to a risk of total or partial clogging, in particular due to the formation of agglomerates of particles. In such a situation, the powder no longer flows from the nozzle, or only with a reduced flow rate compared to that expected, or even with a heterogeneous distribution of particle densities within the powder bundle. Consequently, the laser beam no longer interacts correctly with the powder, and it is reflected in the liquid bath until possibly weakening the laser source, which induces a risk for the user as well as for the tools. The manufacturing process must then be stopped, and the part discarded.
Par ailleurs, il existe également des cas dans lesquels des particules se déposent dans le passage de la buse, ce qui peut perturber l'écoulement du gaz porteur traversant habituellement ce passage. Le manque ponctuel de particules peut être source de porosités au sein de la pièce. De plus, ces particules piégées au sein de la buse peuvent se détacher ultérieurement sous l'effet du gaz porteur et/ou du flux de poudre, et venir alors contaminer une pièce réalisée dans un matériau différent.Furthermore, there are also cases in which particles are deposited in the passage of the nozzle, which can disturb the flow of carrier gas usually passing through this passage. The occasional lack of particles can be a source of porosity within the room. In addition, these particles trapped within the nozzle can subsequently detach under the effect of the carrier gas and / or the flow of powder, and then come to contaminate a part made of a different material.
EXPOSÉ DE L'INVENTIONSTATEMENT OF THE INVENTION
Pour répondre au moins partiellement aux inconvénients identifiés cidessus, l'invention a tout d'abord pour objet un outillage pour la fabrication additive d'une pièce par dépôt de poudre, l'outillage comprenant une buse d'éjection de poudre présentant un premier passage destiné à être traversé par la poudre à déposer, un second passage destiné à être traversé par un faisceau laser, ainsi qu'un dispositif émetteur d'ultrasons associé à la buse pour la faire vibrer.To respond at least partially to the drawbacks identified above, the invention firstly relates to a tool for the additive manufacturing of a part by powder deposition, the tool comprising a powder ejection nozzle having a first passage intended to be crossed by the powder to be deposited, a second passage intended to be crossed by a laser beam, as well as an ultrasonic emitting device associated with the nozzle to make it vibrate.
L'invention prévoit ainsi astucieusement de coupler la buse d'éjection avec un dispositif émetteur d'ultrasons afin de faire vibrer cette buse, et limiter ainsi les risques de formation d'agglomérats de particules au sein du premier passage. Les risques de colmatage sont ainsi réduits, sans pour autant complexifier drastiquement la conception de l'outillage. En effet, le dispositif émetteur d'ultrasons peut parfaitement s'intégrer dans la conception de l'outillage, et s'adapte facilement aux outillages existants.The invention thus cleverly provides for coupling the ejection nozzle with an ultrasonic emitting device in order to vibrate this nozzle, and thus limit the risks of the formation of agglomerates of particles within the first passage. The risks of clogging are thus reduced, without drastically complicating the design of the tool. Indeed, the ultrasonic emitting device can be perfectly integrated into the design of the tool, and easily adapts to existing tools.
L'invention permet ainsi d'étendre la gamme de matériaux projetables, notamment en termes de granulométrie et de morphologie de poudre. Elle garantit aussi une meilleure stabilité du débit massique de poudre pour les temps de projection longs, grâce à la réduction d'agglomérats de poudre dans la buse.The invention thus makes it possible to extend the range of projectable materials, in particular in terms of particle size and powder morphology. It also guarantees better stability of the powder mass flow for long spraying times, thanks to the reduction of powder agglomerates in the nozzle.
Enfin, puisque les vibrations générées par le dispositif émetteur d'ultrasons réduit également les risques de dépôt de particules sur les parois du premier passage de la buse, les risques de contamination croisée sont avantageusement limités lors de l'utilisation successive de différents matériaux.Finally, since the vibrations generated by the ultrasonic emitting device also reduces the risks of particle deposition on the walls of the first passage of the nozzle, the risks of cross contamination are advantageously limited during the successive use of different materials.
L'invention prévoit de préférence au moins l'une quelconque des caractéristiques optionnelles suivantes, prises isolément ou en combinaison.The invention preferably provides at least any one of the following optional characteristics, taken individually or in combination.
Le dispositif émetteur d'ultrasons comporte un générateur et un transducteur alimenté par le générateur. Ainsi, de manière conventionnelle, le transducteur forme un organe d'excitation qui reçoit un signal électrique produit par le générateur. Le transducteur constitue alors préférentiellement l'organe du dispositif qui est couplé à la buse d'éjection de poudre, pour la faire vibrer.The ultrasonic emitting device comprises a generator and a transducer supplied by the generator. Thus, conventionally, the transducer forms an excitation member which receives an electrical signal produced by the generator. The transducer then preferably constitutes the device member which is coupled to the powder ejection nozzle, to cause it to vibrate.
Selon un premier mode de réalisation préféré, le transducteur est fixé autour de la buse ou intégrée à celle-ci.According to a first preferred embodiment, the transducer is fixed around the nozzle or integrated into it.
Selon un seconde mode de réalisation préféré, l'outillage comprend un système de refroidissement de la buse, le système comportant au moins un canal de refroidissement cheminant dans la buse ainsi qu'un réservoir de fluide de refroidissement alimentant ledit canal. De plus, le transducteur est associé audit réservoir pour activer en ultrasons le fluide de refroidissement qui se trouve dans le réservoir, ledit transducteur étant préférentiellement un barreau émetteur d'ultrasons.According to a second preferred embodiment, the tool comprises a system for cooling the nozzle, the system comprising at least one cooling channel running in the nozzle as well as a reservoir of cooling fluid supplying said channel. In addition, the transducer is associated with said reservoir to ultrasonically activate the cooling fluid which is in the reservoir, said transducer preferably being an ultrasonic emitting rod.
Cette solution présente l'avantage de diminuer l'encombrement de la buse, en lui transmettant les vibrations par le biais du fluide de refroidissement qui la traverse.This solution has the advantage of reducing the size of the nozzle, by transmitting vibrations to it via the cooling fluid which passes through it.
Ledit dispositif émetteur d'ultrasons est conçu pour délivrer un signal ultrason à une fréquence comprise entre 25 et 40kHz, à une puissance de 750W.Said ultrasonic emitting device is designed to deliver an ultrasonic signal at a frequency between 25 and 40 kHz, at a power of 750W.
La buse d'éjection de poudre présente également un troisième passage destiné à être traversé par un flux de gaz protecteur de la poudre.The powder ejection nozzle also has a third passage intended to be traversed by a flow of gas protecting the powder.
La buse d'éjection de poudre est réalisée à l'aide de plusieurs cônes coaxiaux définissant entre eux lesdits premier et second passages, et de préférence également le troisième passage décrit ci-dessus.The powder ejection nozzle is produced using several coaxial cones defining between them said first and second passages, and preferably also the third passage described above.
Enfin, il est prévu que le canal de refroidissement chemine dans l'épaisseur d'au moins l'un des cônes formant la buse d'éjection.Finally, provision is made for the cooling channel to pass through the thickness of at least one of the cones forming the ejection nozzle.
L'invention a également pour objet un procédé de réalisation d'une pièce de turbomachine d'aéronef par fabrication additivé, ledit procédé comprenant une étape de dépôt de poudre réalisée à l'aide d'un outillage tel que décrit précédemment.The invention also relates to a method for producing an aircraft turbomachine part by additive manufacturing, said method comprising a powder deposition step carried out using a tool as described above.
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront dans la description détaillée non limitative ci-dessous.Other advantages and characteristics of the invention will appear in the detailed non-limiting description below.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINSBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Cette description sera faite au regard des dessins annexés parmi lesquels ;This description will be made with reference to the accompanying drawings, among which;
- la figure 1 représente une vue de face schématisant la mise en œuvre d'un procédé de réalisation d'une pièce de turbomachine d'aéronef par fabrication additive ;- Figure 1 shows a front view schematically the implementation of a method of producing an aircraft turbomachine part by additive manufacturing;
- la figure 2 représente une vue schématique d'un outillage selon un premier mode de réalisation préféré, pour la mise en œuvre du procédé schématisé sur la figure précédente ;- Figure 2 shows a schematic view of a tool according to a first preferred embodiment, for the implementation of the process shown schematically in the previous figure;
- la figure 2a représente une vue similaire à la précédente, montrant une alternative de réalisation ;- Figure 2a shows a view similar to the previous one, showing an alternative embodiment;
- la figure 3 représente une vue similaire à celle de la figure 2, selon un second mode de réalisation préféré de l'invention.- Figure 3 shows a view similar to that of Figure 2, according to a second preferred embodiment of the invention.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PRÉFÉRÉSDETAILED DESCRIPTION OF PREFERRED EMBODIMENTS
En référence tout d'abord à la figure 1, il est représenté schématiquement la mise en œuvre d'un procédé de réalisation d'une pièce 1 de turbomachine d'aéronef, par fabrication additive.Referring first to Figure 1, there is shown schematically the implementation of a method for producing a part 1 of an aircraft turbomachine, by additive manufacturing.
II peut s'agir de toute pièce de turbomachine réalisée par exemple à partir de poudre métallique et/ou céramique, comme un crochet de rétention pour carter de turbine.It can be any part of a turbomachine produced for example from metallic and / or ceramic powder, such as a retention hook for a turbine casing.
La technique employée est conventionnelle, le procédé selon l'invention se distinguant essentiellement des techniques antérieures par l'utilisation d'un outillage spécifique à l'invention, qui sera décrit ci-après.The technique used is conventional, the method according to the invention being distinguished essentially from the prior techniques by the use of a tool specific to the invention, which will be described below.
La fabrication additive visée par la présente invention met en œuvre un dépôt de poudre. Elle est également dénommée fabrication 3D, et se décline sous différentes formes, dénommées par exemple LMD (de l'anglais « Laser MétalThe additive manufacturing targeted by the present invention implements a powder deposition. It is also called 3D manufacturing, and comes in different forms, for example called LMD (from the English "Laser Metal
Déposition »), LENS (de l'anglais « Laser Engineered Net Shaping », DMD (de l'anglais « Direct Métal Déposition), ou encore CLAD (« Construction Laser Additive Directe »).Déposition "), LENS (from" Laser Engineered Net Shaping ", DMD (from English" Direct Métal Déposition), or CLAD ("Construction Laser Additive Directe").
Cette technologie permet la construction d'une pièce 1 par ajout direct de poudre 2 dans un bain liquide 4, formé par un faisceau laser 6 à la surface d'un substrat 8. Le substrat 8 et la poudre 2 peuvent être deux matériaux différents ou identiques. Le substrat peut être un support qui est ensuite retiré par usinage, ou une pièce à réparer, ou encore une pièce sur laquelle un ajout de fonction est réalisé.This technology allows the construction of a part 1 by direct addition of powder 2 into a liquid bath 4, formed by a laser beam 6 on the surface of a substrate 8. The substrate 8 and the powder 2 can be two different materials or identical. The substrate can be a support which is then removed by machining, or a part to be repaired, or even a part on which an addition of function is carried out.
Pour fabriquer la pièce 1 progressivement couche par couche, l'outillage 100 employé comprend une buse d'éjection de poudre 10 commandé par un dispositif 12 de contrôle et de mise en mouvement de la buse 10. La buse est représentée uniquement schématiquement sur la figure 1. Elle permet l'éjection de la poudre, ainsi que le passage du faisceau laser 6 en direction du bain liquide 4. Le faisceau est issu d'une source laser 14 faisant également partie de l'outillage.To manufacture the piece 1 progressively layer by layer, the tool 100 employed comprises a powder ejection nozzle 10 controlled by a device 12 for controlling and setting in motion the nozzle 10. The nozzle is shown only schematically in the figure 1. It allows the powder to be ejected, as well as the passage of the laser beam 6 in the direction of the liquid bath 4. The beam comes from a laser source 14 which is also part of the tool.
En pratique, le procédé de fabrication comporte une étape de dépôt de poudre à l'aide de la buse 10, la poudre déposée étant fusionnée sous l'action du faisceau laser 6, au niveau des zones de la couche de poudre qui doivent être solidifiées pour former ultérieurement la pièce 1.In practice, the manufacturing process includes a powder deposition step using the nozzle 10, the deposited powder being fused under the action of the laser beam 6, at the areas of the powder layer which must be solidified. to later form part 1.
La figure 2 représente un premier mode de réalisation préféré de la buse d'éjection 10. Sa conception est basée sur la combinaison des plusieurs cônes coaxiaux, ici trois cônes emboîtés les uns dans les autres de façon à définir entre eux des passages coniques fonctionnels.FIG. 2 represents a first preferred embodiment of the ejection nozzle 10. Its design is based on the combination of several coaxial cones, here three cones nested one inside the other so as to define between them functional conical passages.
Plus précisément, il s'agit d'un cône extérieur 20, d'un cône central 22, et d'un cône intérieur 24. Entre le cône extérieur 20 et le cône central 22, il est défini un premier passage conique 26 destiné à être traversé par la poudre à déposer, dont le débit est régulé par le dispositif de contrôle de l'outillage.More specifically, it is an outer cone 20, a central cone 22, and an inner cone 24. Between the outer cone 20 and the central cone 22, there is defined a first conical passage 26 intended for be crossed by the powder to be deposited, the flow rate of which is regulated by the tool control device.
Par ailleurs, le cône central 22 définit intérieurement un second passage 31 centré sur l'axe 30 de la buse, cet axe correspondant également à la direction du faisceau laser 6.Furthermore, the central cone 22 internally defines a second passage 31 centered on the axis 30 of the nozzle, this axis also corresponding to the direction of the laser beam 6.
En outre, entre le cône intérieur 24 et le cône central 22, il est défini un troisième passage conique 32 destiné à être traversé par un flux de gaz 34 protecteur de la poudre. En effet, ce flux de gaz 34 est interposé radialement entre la poudre 2 et le faisceau laser 6, et permet ainsi aux particules de poudre de ne pas être fondues avant d'atteindre le bain liquide au niveau des couches déjà déposées.In addition, between the inner cone 24 and the central cone 22, there is defined a third conical passage 32 intended to be traversed by a flow of gas 34 protecting the powder. In fact, this gas flow 34 is interposed radially between the powder 2 and the laser beam 6, and thus allows the powder particles not to be melted before reaching the liquid bath at the level of the layers already deposited.
L'une des particularités de l'invention réside dans la mise en œuvre d'un dispositif émetteur d'ultrasons 40 couplé à la buse, de manière à la faire vibrer et éviter ainsi le colmatage du premier passage 26 par des agglomérats de poudre, ou encore éviter que des particules ne se déposent sur les parois de ce premier passage 26.One of the features of the invention resides in the implementation of an ultrasonic emitting device 40 coupled to the nozzle, so as to cause it to vibrate and thus prevent clogging of the first passage 26 by agglomerates of powder, or else prevent particles from settling on the walls of this first passage 26.
Le dispositif émetteur d'ultrasons 40 comporte un générateur 42 ainsi qu'un transducteur 44. Le générateur 42 transmet un signal électrique au transducteur 44, via un câblage approprié 48. Le transducteur est alors placé au contact du cône extérieur 20 de la buse, par exemple au niveau d'un épaulement supérieur 50. Le maintien mécanique du transducteur s'effectue à l'aide d'un collier de serrage 46 disposé autour de l'épaulement 50, et préférentiellement centré sur l'axe 30. Selon une alternative, le transducteur 44 est intégré à la buse, de préférence dans un logement 52 de l'épaulement 50, comme cela a été schématisé sur la figure 2a.The ultrasound emitting device 40 comprises a generator 42 and a transducer 44. The generator 42 transmits an electrical signal to the transducer 44, via appropriate wiring 48. The transducer is then placed in contact with the outer cone 20 of the nozzle, for example at an upper shoulder 50. The mechanical retention of the transducer is effected by means of a clamp 46 disposed around the shoulder 50, and preferably centered on the axis 30. According to an alternative , the transducer 44 is integrated into the nozzle, preferably in a housing 52 of the shoulder 50, as has been shown diagrammatically in FIG. 2a.
II est noté que dans ce premier mode de réalisation préféré, le transducteur 44 pourrait être au contact d'une autre partie du cône extérieur 20, voire au contact d'un des deux autres cônes 22, 24, sans sortir du cadre de l'invention.It is noted that in this first preferred embodiment, the transducer 44 could be in contact with another part of the outer cone 20, or even in contact with one of the other two cones 22, 24, without departing from the scope of the invention.
Un second mode de réalisation est représenté sur la figure 3. Dans ce mode, les ultrasons ne sont pas directement transmis par le transducteur 44 au cône extérieur 20, mais transmis à un liquide de refroidissement 56.A second embodiment is shown in FIG. 3. In this mode, the ultrasound is not directly transmitted by the transducer 44 to the external cone 20, but transmitted to a coolant 56.
L'outillage 100 comporte en effet un système 55 de refroidissement de la buse, qui comprend un canal de refroidissement 58 cheminant dans le cône extérieur 20 de la buse, dans l'épaisseur de celle-ci. Le canal 58 s'étend par exemple sous forme hélicoïdale tout le long de ce cône, en étant alimenté par un réservoir de liquide 60 avec lequel il communique. Une pompe permet d'effectuer cette alimentation, tandis qu'un échangeur de chaleur est également prévu pour refroidir le fluide chauffé sortant du cône 20 et rejoignant le réservoir 60. L'échangeur (non représenté) pourrait d'ailleurs être agencé au niveau de ce réservoir.The tool 100 in fact comprises a system 55 for cooling the nozzle, which comprises a cooling channel 58 running through the outer cone 20 of the nozzle, in the thickness of the latter. The channel 58 extends for example in helical form all along this cone, being supplied by a liquid reservoir 60 with which it communicates. A pump makes it possible to supply this power, while a heat exchanger is also provided for cooling the heated fluid leaving the cone 20 and joining the reservoir 60. The exchanger (not shown) could moreover be arranged at this tank.
Le transducteur 44 est couplé au réservoir 60 pour activer en ultrasons le fluide de refroidissement 56 qui se trouve dans ce réservoir. Ce transducteur peut être fixé sur la paroi du réservoir 60, ou bien immergé de manière étanche dans le liquide se trouvant au sein de ce réservoir. II prend de préférence la forme d'un barreau émetteur d'ultrasons.The transducer 44 is coupled to the tank 60 to ultrasonically activate the cooling fluid 56 which is in this tank. This transducer can be fixed to the wall of the reservoir 60, or else immersed in a sealed manner in the liquid located within this reservoir. It preferably takes the form of a rod emitting ultrasound.
Dans ce second mode de réalisation, la buse présente un encombrement réduit, tout en étant soumise à des vibrations transportées par le liquide de refroidissement 56 qui circule dans le canal 58.In this second embodiment, the nozzle has a reduced bulk, while being subjected to vibrations transported by the coolant 56 which circulates in the channel 58.
Ici encore, il est indiqué que le canal de refroidissement 58 pourrait être prévu alternativement ou simultanément sur les deux autres cônes 22, 24, sans sortir du cadre de l'invention.Here again, it is indicated that the cooling channel 58 could be provided alternately or simultaneously on the other two cones 22, 24, without departing from the scope of the invention.
Enfin, pour une génération de vibrations optimales, le dispositif émetteur 40 est préférentiellement conçu pour délivrer un signal ultrason à une fréquence comprise entre 25 et 40kHz, à une puissance de 750W.Finally, for optimal vibration generation, the emitting device 40 is preferably designed to deliver an ultrasound signal at a frequency between 25 and 40 kHz, at a power of 750W.
Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme du métier à l'invention qui vient d'être décrite, uniquement à titre d'exemples non limitatifs.Of course, various modifications can be made by those skilled in the art to the invention which has just been described, only by way of nonlimiting examples.
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