FR3090438A1

FR3090438A1 - Procédé de fabrication d’une ébauche et dispositif correspondant

Info

Publication number: FR3090438A1
Application number: FR1873679A
Authority: FR
Inventors: Jean-Philippe Rozenbaum; Olivier Martin
Original assignee: MECACHROME
Current assignee: MECACHROME
Priority date: 2018-12-20
Filing date: 2018-12-20
Publication date: 2020-06-26
Anticipated expiration: 2038-12-20
Also published as: FR3090438B1; WO2020128169A1; EP3898072A1

Abstract

La présente invention concerne un procédé de fabrication d’au moins une ébauche d’un objet métallique final à partir d’un objet numérique, ladite ébauche comprenant au moins deux empilements distincts de couches superposées sur un support (1 ) métallique, le procédé comprenant des étapes successives de dépôt de matière métallique en fusion sur ledit support par apport local de matière métallique, combiné à un apport local d’énergie, ledit support (1) définissant deux faces (10, 11 ) en vis-à-vis, le procédé étant caractérisé en ce que le dépôt de matière est réalisé sur les deux faces (10, 11 ) du support pour réaliser au moins un empilement sur chaque face, et en ce que la totalité de la matière d’au moins un empilement est absente de l’objet final obtenu après usinage de l’ébauche. Figure pour l’abrégé : Fig. 1

Description

Titre de l'invention : Procédé de fabrication d’une ébauche et dispositif correspondant

[0001] La présente invention concerne le domaine technique de la fabrication additive.

[0002] On désigne classiquement par ce terme l’ensemble des procédés permettant de fabriquer par ajout de matière, couche par couche, un objet physique à partir d’un objet numérique, préalablement défini.

[0003] Ces procédés de fabrication additive sont à l’opposé des procédés par retrait de matière ou soustractifs, qui permettent d’obtenir des objets métalliques à partir de plaques épaisses ou de cylindre creux.

[0004] Des objets métalliques peuvent également être obtenus à partir de bruts ébauchés en forgeage ou de bruts de fonderie proches des cotes.

[0005] Cependant, tous ces procédés nécessitent l’utilisation d’une quantité de matière importante par rapport à celle présente dans la pièce finale. Le rapport correspondant peut aller jusqu’à 30 :1, notamment dans le domaine de l’aéronautique, où il est dénommé « Buy to Lly ratio » dans la terminologie anglaise.

[0006] De plus, ils nécessitent la mise en œuvre d’outillages importants et de moyens industriels lourds, et entraînent des coûts et des cycles de réalisation très importants qui augmentent avec les dimensions de l’objet à fabriquer.

[0007] C’est pourquoi se développent des procédés de fabrication additive pour obtenir des objets métalliques qui procèdent par apport local de métal par exemple sous forme de poudre ou de fil, et d’énergie par exemple sous forme d’un faisceau laser, d’un faisceau d’électrons, d’un arc électrique ou de plasma. Ces procédés sont communément dénommés DMD (Direct Metal Deposition) dans la terminologie anglaise.

[0008] On peut ainsi prévoir un flux de gaz entraînant de la poudre métallique, se déplaçant au-dessus d’un support métallique avec un faisceau laser qui provoque la fusion de la poudre qui se dépose à l’état fondu sur le support lui-même légèrement fondu et se solidifie sur celui-ci. Chaque déplacement des faisceaux permet de créer une couche qui se superpose aux précédentes.

[0009] Ces procédés sont notamment proposés dans le domaine de l’aéronautique pour réduire la quantité de matière totale utilisée par rapport à celle de la pièce finale et réduire de façon générale les coûts de fabrication.

[0010] Ces procédés présentent cependant des inconvénients.

[0011] En effet, la solidification du métal après son dépôt entraîne de fortes contraintes liées au changement de phase et aux gradients de températures, et donc des déformations du support.

[0012] Pour y remédier, il a été envisagé d’utiliser un support plus épais pour augmenter sa résistance à la déformation. Cette solution nécessite donc, pour obtenir une pièce finie, un usinage plus important qu’avec un substrat de moindre épaisseur. Cette solution est donc onéreuse.

[0013] Une autre solution consiste à brider le support sur un outillage pour contenir la déformation du support pendant le dépôt du fil ou de la poudre, l’ensemble subissant ensuite un traitement thermique de relaxation des contraintes. Cette solution nécessite donc un outillage spécifique réalisé en un matériau choisi pour tenir mécaniquement lors du traitement thermique. Elle est onéreuse du fait de cet outillage. En effet, celuici comporte une quantité de matière importante pour assurer sa rigidité et son coût est donc élevé. De plus, l’outillage devant être présent lors du traitement thermique du support et ce traitement durant plusieurs heures, un nombre important d’outillages doit être prévu, ce qui renchérit le coût de fabrication.

[0014] Enfin, il a également été proposé de réaliser par une méthode de fabrication additive deux empilements sensiblement identiques sur deux faces d’un support, ce dernier étant tourné de 180° une fois un empilement terminé, pour réaliser un empilement sur l’autre face. Le support est maintenu dans un outillage complexe qui comprend notamment des moyens assurant son refroidissement. Il est donc nécessaire de retirer l’outillage avant de tourner le support, puis de le remettre en place sur le support une fois le retournement réalisé.

[0015] Là encore, le procédé est onéreux du fait de la présence de l’outillage et des étapes de montage/démontage qui doivent être réalisées.

[0016] L’invention a pour objet de pallier ces inconvénients en proposant un procédé de fabrication additive radicalement différent et d’une grande efficacité.

[0017] Ainsi, l’invention concerne un procédé de fabrication d’au moins une ébauche d’un objet métallique final à partir d’un objet numérique, ladite ébauche comprenant au moins deux empilements distincts de couches superposées sur un support métallique, le procédé comprenant des étapes successives de dépôt de matière métallique en fusion sur ledit support par apport local de matière métallique, combiné à un apport local d’énergie, ledit support définissant deux faces en vis-à-vis, le procédé étant caractérisé en ce que le dépôt de matière est réalisé sur les deux faces du support pour réaliser au moins un empilement sur chaque face, et en ce que la totalité de la matière d’au moins un empilement est absente de l’objet final obtenu après usinage de l’ébauche.

[0018] Ce procédé permet ainsi de maîtriser la déformation globale du support en déposant de manière appropriée la matière sur les deux faces du support et sans qu’il soit nécessaire d’augmenter son épaisseur.

[0019] Le procédé peut être mis en œuvre pour réaliser deux ébauches. Dans ce cas, le support est alors séparé en deux parties, chacune d’elles incluant une des faces du support et le ou les empilement(s) réalisé(s) sur cette face du support et formant une ébauche. Ces derniers vont faire partie au moins partiellement de l’ébauche conduisant à l’obtention d’un objet final après usinage. Ainsi, la totalité de la matière déposée sur une face est absente de l’objet final obtenu après usinage de l’ébauche incluant l’autre face du support.

[0020] Dans une variante de ce procédé, sur au moins une face du support sont réalisés au moins un empilement qui fera partie au moins partiellement de l’objet final ainsi qu’au moins un empilement formant redresseur.

[0021] Dans ce cas, la totalité de la matière de l’empilement correspondant au redresseur est également absente de l’objet final obtenu après usinage de l’ébauche.

[0022] Il peut également être mis en œuvre pour réaliser une ébauche comportant au moins un empilement sur une première face du support et au moins un empilement formant redresseur sur la deuxième face du support. Dans ce cas, la totalité de la matière de l’empilement correspondant au redresseur est absente de l’objet final obtenu après usinage de l’ébauche, tandis que l’empilement présent sur la première face fera partie au moins partiellement de l’ébauche.

[0023] Dans une variante, au moins un empilement formant redresseur sera également réalisé sur la première face du support et la totalité de la matière de l’empilement correspondant au redresseur sera absente de l’objet final obtenu après usinage de l’ébauche.

[0024] Dans tous ces exemples, un dépôt de matière sur une face est réalisé pour compenser les déformations liées à un dépôt de matière sur l’autre face.

[0025] Il convient encore de noter que le procédé est mis en œuvre avec un support qui est en permanence libre sur ses deux faces. En d’autres termes, une part importante de la surface de chaque face du support est dépourvue d’outillage, cette part étant comprise entre 60 et 100%. En effet, dans le cadre du procédé selon l’invention, l’outillage est essentiellement prévu pour maintenir le support dans un référentiel déterminé. Il n’est pas conçu pour l’empêcher de se déformer. C’est pourquoi l’outillage peut être prévu en périphérie du support, voire sur sa tranche, ce qui permet de libérer les deux faces du support. Il est également conçu pour s’adapter aux déformations du support.

[0026] Les deux faces du support peuvent donc recevoir un dépôt de matière sans qu’il soit nécessaire de démonter un outillage au préalable.

[0027] Dans d’autres modes de mise en œuvre avantageux, on a de plus recours à l’une ou à l’autre des dispositions suivantes :

- les étapes successives de dépôt de matière métallique peuvent être réalisées au moins en partie simultanément sur les deux faces du support

- ces étapes successives de dépôt de matière métallique peuvent également être réalisées au moins en partie sensiblement en vis-à-vis sur les deux faces du support

- au moins un desdits empilements est construit dans un sens qui n’est pas opposé à celui de la gravité

- le support est disposé sensiblement horizontalement ou verticalement

- les étapes successives de dépôt sur les deux faces du support contribuent à la formation d’une seule ébauche

- les étapes successives de dépôt permettent la formation de deux ébauches, symétriques ou non par rapport au support

- une seule matière métallique est déposée sur le support

- au moins deux matières métalliques différentes sont déposées sur le support

- la matière métallique est apportée sous forme de fil ou de poudre

- les étapes de dépôt sont réalisées par un dispositif ou par une pluralité de dispositifs de fabrication additive

- au moins un dispositif de fabrication additive est piloté en fonction d’un logiciel de commande préétabli

- au moins un dispositif de fabrication additive est piloté par des mesures provenant de capteurs disposés à proximité du support.

[0028] L’invention concerne également un système de fabrication d’ébauche comportant un support métallique et au moins un dispositif de fabrication additive conçu pour déposer un matériau métallique sur ledit support dans un sens qui n’est pas opposé à celui de la gravité.

[0029] L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de modes de réalisation donnés à titre d’exemples non limitatifs.

[0030] La description se réfère aux dessins qui l’accompagnent dans lesquels :

[0031] [fig-1] illustre schématiquement un premier exemple de mise en œuvre du procédé selon l’invention.

[0032] [fig.2] illustre schématiquement un deuxième exemple de mise en œuvre du procédé selon l’invention.

[0033] [fig.3] qui correspond les figures 3A à 3D, illustre schématiquement un troisième exemple de mise en œuvre du procédé selon l’invention.

[0034] [fig.4] est une vue en perspective illustrant un exemple de pièce finale réalisée à partir d’un brut obtenu avec un procédé selon l’invention.

[0035] [fig.5] comprend les figures 5A et 5B qui sont des vues en perspective d’une ébauche théorique correspondant à la pièce finale illustrée à la figure 4.

[0036] [fig.6] comprend les figures 6A et 6B qui sont des vues en perspective d’une ébauche obtenue par un procédé de fabrication additive classique, sur la base de l’ébauche théorique illustrée à la figure 5.

[0037] [fig.7] comprend les figures 7A et 7B qui sont des vues en coupe selon respectivement les lignes A-A et B-B de la figure 6B.

[0038] [fig-8] est une vue en perspective représentant une variante de la figure 6B, avec un support plus long.

[0039] [fig.9] comprend les figures 9A et 9B qui sont des vues en coupe selon respectivement les lignes A-A et B-B de la figure 8.

[0040] [fig.10] est une vue en perspective d’une ébauche obtenue par un procédé de fabrication selon l’invention, prévoyant la formation de redresseurs.

[0041] [fig.l 1] est une vue en perspective d’une ébauche obtenue par un procédé de fabrication selon l’invention, prévoyant la formation de redresseurs.

[0042] [fig. 12] comprend les figures 12A et 12B qui sont des vues en coupe correspondant aux figures 7A et 7B ainsi que les figures 12C et 12D qui sont des vues en coupe selon les lignes C-C et D-D de la figure 11.

[0043] [fig. 13] est une vue en perspective d’une variante de l’ébauche illustrée aux figures 10 et 11.

[0044] [fig.14] est une vue en perspective d’une variante de l’ébauche illustrée aux figures 10 et 11.

[0045] [fig. 15] est un graphique illustrant schématiquement les déformations d’un support après mise en œuvre du procédé selon l’invention.

[0046] Les éléments communs aux différentes figures seront désignés par les mêmes références.

[0047] La figure 1 illustre un support 1 métallique par exemple réalisé en TA6V.

[0048] De façon préférée, l’épaisseur de ce substrat est inférieure à 20 mm.

[0049] Dans l’exemple illustré sur la figure 1, le support 1 est sensiblement plan et définit deux faces opposées 10 et 11 également sensiblement planes.

[0050] L’invention n’est cependant pas limitée à ce mode de réalisation et le support n’est pas nécessairement plan. En revanche, il doit comporter des surfaces en vis-à-vis.

[0051] Enfin, l’épaisseur du support n’est pas nécessairement constante. A titre d’exemple, le support peut résulter de la découpe en biais d’une plaque.

[0052] Dans cet exemple de mise en œuvre du procédé selon l’invention, le support 1 est disposé sensiblement horizontalement. En d’autres termes, il définit un plan qui est sensiblement perpendiculaire à la direction de la force de gravité (illustrée par la flèche G).

[0053] La figure 1 illustre également deux dispositifs 20 et 21 de fabrication additive. Le premier dispositif 20 est disposé au-dessus de la face supérieure 10 du support, tandis que le deuxième dispositif 21 est disposé au-dessous de la face inférieure 11 du support.

[0054] Ces deux dispositifs peuvent être de structure différente.

[0055] Ils comportent chacun au moins une source d’énergie, par exemple faisceau d’électrons, laser, plasma, arc électrique ou gaz porteur chaud. Si l’un de ces dis positifs comporte plusieurs sources d’énergie, celles-ci peuvent être différentes les unes des autres.

[0056] Par ailleurs, chacun de ces dispositifs comporte des moyens pour apporter le métal sur le support, sous forme de poudre ou de fil.

[0057] Ce métal sera fondu grâce à la source d’énergie présente dans le dispositif 20 ou 21, afin de le déposer sur le support 1.

[0058] Le support 1 est fixe en rotation. En revanche, le support 1 et les dispositifs 20 et 21 sont mobiles en translation l’un par rapport aux autres. Dans l’exemple représenté, ce sont les dispositifs 20 et 21 qui sont mobiles en translation, le support 1 étant fixe.

[0059] Dans l’exemple illustré à la figure 1, le premier dispositif 20 a été piloté pour réaliser un empilement 12 formé ici de quatre couches superposées 120 à 123, tandis que le deuxième dispositif 21 a été piloté pour réaliser sur la face inférieure 11 du support 1 un empilement 13, lui-même formé de couches successives 130 à 133.

[0060] La flèche Ε_[2 indique le sens dans lequel l’empilement 12 est construit, ou en d’autres termes, le sens défini par la succession ou la progression des couches 120 à 123 depuis le support 1.

[0061] Chaque couche correspond à un cycle de dépôt au cours duquel toute la surface désirée du support ou de la couche précédente est recouverte d’un cordon de matière métallique d’une hauteur déterminée, cette hauteur étant définie selon une direction perpendiculaire au support. Cette hauteur peut varier d’une couche à l’autre, cette variation étant en général de faible amplitude.

[0062] Le sens de construction de l’empilement 12 est donc opposé au sens de la gravité, ce sens opposé étant matérialisé par la flèche G’.

[0063] Le sens de construction de l’empilement 13 est, quant à lui, matérialisé par la flèche Eu et il correspond au sens de la gravité, matérialisé par la flèche G.

[0064] Les empilements 12 et 13 constituent deux empilements distincts, c’est-à-dire qu’ils sont réalisés indépendamment l’un de l’autre ou encore qu’il existe une discontinuité entre la matière formant la première couche 120 de rempilement 12 et la matière formant la première couche 130 de rempilement 13.

[0065] L’invention n’est bien sûr pas limitée à ce mode de mise en œuvre et plusieurs empilements distincts pourraient être réalisés sur une face du support ou sur les deux.

[0066] De plus, le sens de construction des empilements n’est pas nécessairement perpendiculaire au support mais peut former un angle par rapport au support qui est inférieur à 90°.

[0067] Le pilotage des deux dispositifs 20 et 21 est effectué pour minimiser la déformation du support 1.

[0068] En particulier, les couches de même rang de chacun des empilements 12 et 13 peuvent être réalisées simultanément à la fois pour compenser les déformations du support et pour obtenir une plus grande productivité dans la fabrication des ébauches.

[0069] Un dépôt de matière simultané sur les deux faces du support nécessite de connaître au préalable des déformations engendrées par le dépôt de matière.

[0070] On notera à cet égard que le procédé selon l’invention ne prévoit pas de limiter ou de supprimer les déformations du support, en le rigidifiant que ce soit en augmentant l’épaisseur du support ou en le bridant par un outillage approprié. Il a pour effet de compenser une déformation se produisant dans un sens par une déformation se produisant dans un sens opposé afin de maîtriser la déformation globale du support.

[0071] Le dépôt simultané de deux couches conduit à une élévation importante de la température du support. C’est pourquoi il peut également être avantageux de décaler dans le temps le dépôt de couches sur chaque face du support.

[0072] Afin de combiner la maîtrise de la température et des contraintes dans le support, les deux dispositifs 20 et 21 peuvent être pilotés de façon à alterner le dépôt simultané de couches sur chaque face du support et un dépôt décalé dans le temps.

[0073] Ainsi, de façon générale, dans le cas d’un fonctionnement alterné, le nombre de couches successives construites par un dispositif 20 ou 21 sur une même face, entre deux phases de dépôt sur l’autre face du support, est déterminé en fonction de l’ébauche à construire, en tenant compte de sa géométrie, des contraintes de température et des tolérances fixées pour les déformations.

[0074] Il convient de noter que les contraintes de température dépendent de la matière utilisée pour le support mais aussi des paramètres du procédé. Bien entendu, le nombre total de couches construites sur chaque face du support et leur localisation dépend de la géométrie de la pièce finale ainsi que du choix préalable de la stratégie de construction de l’ébauche.

[0075] Dans l’exemple illustré à la figure 1, un dispositif de fabrication additive est prévu pour chaque face du substrat 1.

[0076] Cependant, l’invention n’est pas limitée à ce mode de mise en œuvre du procédé et celui-ci pourrait être mis en œuvre avec un seul dispositif. Par ailleurs, plus d’un dispositif de fabrication additive peuvent également être prévus pour chaque face du substrat. Ces dispositifs peuvent être identiques ou différents.

[0077] Ces dispositifs seront notamment choisis en fonction de la géométrie de l’ébauche.

[0078] Ainsi, les dispositifs 20 et 21 peuvent être différents. De même, pour une même face, les dispositifs de fabrication additive peuvent être identiques ou différents.

[0079] Lorsque ces dispositifs sont différents, les sources d’énergie peuvent être différentes d’un dispositif à l’autre. De même, la nature et la composition des matériaux d’apport peuvent être différentes d’un dispositif de fabrication additive à l’autre.

[0080] On comprend donc que l’utilisation de dispositifs de fabrication additive différents permet de construire une ébauche réalisée en des matériaux différents.

[0081] En ce qui concerne maintenant l’ébauche obtenue par le procédé selon l’invention, celle-ci peut intégrer le support sur lequel la matière est déposée.

[0082] Ce sera par exemple le cas de l’ébauche illustrée sur la figure 1.

[0083] Par ailleurs, lorsque la pièce à construire présente une symétrie partielle ou complète par rapport au support, ce sera également le cas de l’ébauche obtenue par le procédé.

[0084] Le procédé selon l’invention n’est cependant pas limité à ces applications. Il peut également être mis en œuvre pour réaliser au moins un empilement sur chaque face du support, une découpe dans le plan du support étant ensuite réalisée pour obtenir deux ébauches. Si les empilements sont symétriques par rapport au support, ils permettront d’obtenir également deux pièces sensiblement symétriques, après usinage.

[0085] Dans tous les cas, la matière du support est au moins partiellement intégrée dans l’ébauche.

[0086] On comprend qu’en maîtrisant la déformation du support, le procédé permet effectivement une découpe du support en deux parties, alors que l’épaisseur du support est réduite par rapport aux procédés classiques.

[0087] Ainsi, le procédé selon l’invention peut être mis en œuvre sur des supports dont l’épaisseur est globalement ou localement inférieure à 10 mm même si la longueur du support atteint 500 mm par exemple, avec une largeur de 400 mm. En comparaison, avec les procédés connus, des supports d’épaisseur supérieure à 15 mm, voire 20 mm doivent sinon être utilisés dans ce cas.

[0088] L’invention pourrait atteindre les mêmes effets avec des longueurs plus importantes, par exemple égales à 1 m.

[0089] Il convient de noter que la découpe peut être réalisée de façon quelconque et qu’en particulier, dans le cas d’un support plan, elle n’est pas nécessairement réalisée dans un plan parallèle aux faces du support mais, par exemple, dans un plan incliné.

[0090] La figure 2 illustre un autre mode de mise en œuvre du procédé selon l’invention dans lequel le support 3 est disposé sensiblement verticalement ou encore sensiblement selon la direction de la force de gravité.

[0091] Comme le support 1 illustré à la figure 1, le support 3 reste fixe en rotation pendant toute la mise en œuvre du procédé.

[0092] En revanche, le support 3 d’une part, et les dispositifs 40 et 41, d’autre part sont relativement mobiles en translation. Dans l’exemple illustré, le support 3 est fixe et les dispositifs sont mobiles en translation.

[0093] L’invention n’est pas limitée à ce mode de mise en œuvre du procédé et le support pourrait être mobile en rotation autour d’un axe. Cependant, le procédé selon l’invention présente l’intérêt de pouvoir être mis en œuvre avec un support fixe à la fois en rotation et en translation.

[0094] Le support 3 est sensiblement plan et définit deux faces 30 et 31 en vis-à-vis dont l’écartement correspond à l’épaisseur du support.

[0095] Un dispositif de fabrication additive est prévu du côté de chaque face latérale du support. Ainsi, un dispositif 40 est prévu du côté de la face latérale gauche 30 du support et un autre dispositif de fabrication additive 41 est prévu du côté de la face latérale droite 31 du support.

[0096] Le dispositif 40 permet de réaliser la construction 32 sur la face 30 du support 3 et le dispositif 41 permet de réaliser la construction 33 sur la face 31 du support.

[0097] Chacune de ces constructions est formée d’une succession de couches 320 à 323 pour l’empilement 32 et 330 à 333 pour l’empilement 33.

[0098] Pour chacun de ces empilements, est défini un sens de construction qui correspond à la direction dans laquelle augmente la hauteur de l’empilement par rapport au support.

[0099] Ainsi, le sens de construction de l’empilement 32 est illustré par la flèche F₃₂. Cette flèche est horizontale et elle part de la face latérale gauche 30 du support 3 vers l’extérieur. De même, la flèche F₃₃ illustre le sens de construction de l’empilement 33. Elle est horizontale et part de la face latérale droite 31 du support 3 en se dirigeant vers l’extérieur.

[0100] On constate que ces deux flèches F₃₂et F₃₃ s’étendent sensiblement à 90° du sens de la force de gravité illustré par la flèche G. Aucune des deux n’est donc opposée (c’est-à-dire à 180°) au sens de la force de gravité.

[0101] Les différents modes de mise en œuvre du procédé tels que décrits en référence à la figure 1 sont également valables pour le procédé illustré à la figure 2. Il en est de même pour les dispositifs de fabrication additive.

[0102] Le procédé selon l’invention n’est pas limité aux deux modes de mise en œuvre illustrés aux figures 1 et 2, c’est-à-dire à un support disposé sensiblement selon la direction de la force de gravité ou selon une direction perpendiculaire à cette force.

[0103] Il peut au contraire être mis en œuvre avec un support incliné d’un angle quelconque par rapport à la direction de la force de gravité. Le choix entre les différentes positions possibles du support se fera en fonction de la priorité donnée à chacun des paramètres suivants : facilité de la mesure de la déformation, facilité de l’accès au support, complexité de l’outillage.

[0104] Il est maintenant fait référence à la figure 3 qui illustre de façon plus détaillée le mode de mise en œuvre du procédé dans lequel les différentes couches sont déposées de manière alternée sur chaque face d’un support.

[0105] Les figures 3A à 3D illustrent un support 5 disposé sensiblement horizontalement, comme le support 1 illustré à la figure 1.

[0106] Ce support définit deux faces planes en vis-à-vis, la face supérieure 50 et la face inférieure 51.

[0107] La figure 3A illustre une première étape dans laquelle est déposée une première couche 520 sur la face supérieure 50 du support 5.

[0108] La figure 3B illustre une deuxième étape du procédé dans laquelle une première couche 530 est déposée sur la face inférieure 51 du support.

[0109] La figure 3C illustre une troisième étape de mise en œuvre du procédé dans laquelle une deuxième couche 521 est déposée sur la première couche 520 préalablement déposée sur la face supérieure 50 du support.

[0110] Enfin, la figure 3D illustre une quatrième étape de mise en œuvre du procédé dans laquelle une deuxième couche 531 est déposée sur la première couche 530 préalablement déposée sur la face inférieure 51 du support 5.

[0111] Dans cet exemple de mise en œuvre du procédé, les empilements 52 et 53 obtenus sont symétriques par rapport au support 5.

[0112] Il s’agit bien de deux empilements distincts puisque les premières couches 520 et 530 ne sont pas dans la continuité l’une de l’autre.

[0113] Le sens de construction E₅₂ de l’empilement 52 est donc opposé au sens de la gravité, ce sens opposé étant matérialisé par la flèche G’.

[0114] Le sens de construction E₅₃ de l’empilement 53 est, quant à lui, matérialisé par la flèche E₅₃ et il correspond au sens de la gravité, matérialisé par la flèche G.

[0115] Comme cela a été expliqué précédemment, le procédé selon l’invention n’est pas limité à ce mode de mise en œuvre.

[0116] En particulier, il est possible de maîtriser les déformations du support, même dans le cas où les empilements ne sont pas symétriques par rapport au support. Ceci sera illustré dans la suite de la description.

[0117] Par ailleurs, les dispositifs de fabrication additive ne sont pas illustrés sur la figure 3. [0118] Il peut s’agir d’un dispositif unique, de deux dispositifs prévus chacun pour une face du support ou encore d’une pluralité de dispositifs prévus sur au moins une face du support.

[0119] Il est maintenant fait référence aux figures 4 à 12 pour décrire un autre mode de mise en œuvre de l’invention dans lequel un empilement est réalisé sur une face du support, cet empilement étant destiné à former au moins en partie la pièce finale, l’autre face du support recevant des empilements qui ont une fonction de redresseur, c’est-à-dire destinés à compenser les déformations du support liées à la formation de l’empilement. Ces redresseurs seront absents de la pièce finale.

[0120] De manière générale, sur la base d’une pièce finale, dont un exemple est illustré à la figure 4, on conçoit une ébauche théorique qui pourra être réalisée par forgeage ou par fabrication additive.

[0121] Dans l’ébauche, certains détails sont simplifiés, par exemple les rayons de raccordement. De plus, la conception de l’ébauche intègre les contraintes de fabrication de l’ébauche, par exemple les dépouilles ou les plans de joint, selon le procédé employé.

[0122] Ainsi, la figure 5 illustre comment est conçue l’ébauche théorique de la pièce 6 illustrée à la figure 4, lorsque celle-ci est destinée à être réalisée par fabrication additive.

[0123] La figure 5A illustre un support plan 7 définissant une face supérieure 70 également plane sur laquelle est prévu un empilement 8 de quatre couches, chaque couche formant un carré.

[0124] Ainsi, l’empilement 8 comporte deux paires de parois en vis-à-vis :les parois 80,81, d’une part et les parois 82,83, d’autre part.

[0125] La figure 5B est une vue similaire à la figure 5A dans laquelle la pièce finale 6 est dessinée en pointillés à l’intérieur de l’empilement et du support.

[0126] Elle permet de visualiser les surépaisseurs et les surlongueurs que présente une ébauche théorique par rapport à la pièce finale usinée.

[0127] Ces surépaisseurs et surlongueurs sont définies par les contraintes liées aux procédés d’usinage et de contrôle non destructif destinés à assurer la qualité de la pièce.

[0128] A titre d’exemple, avec un support dont l’épaisseur, dans la pièce finie, est de 3 mm, l’épaisseur du support dans l’ébauche théorique sera de 10 mm (une surépaisseur de 0,5 mm est nécessaire sur chaque face pour réaliser l’usinage, une surépaisseur de 3 mm étant également nécessaire sur chaque face pour réaliser un contrôle par ultrasons).

[0129] Lorsque l’ébauche est réalisée suivant la conception illustrée à la figure 5 et avec un procédé de fabrication additive classique, la déformation du support peut être si importante que la pièce souhaitée ne peut être obtenue après usinage.

[0130] Ainsi, la figure 6A montre que le support 7 présente maintenant une forme concave et que les parois de l’empilement 8 sont également déformées.

[0131] La figure 6B illustre la position relative de l’ébauche et de la pièce finale 6. Les zones grisées correspondent aux parties de la pièce 6 qui ne pourront pas être obtenues du fait de la déformation du support 7.

[0132] Les figures 7A et 7B permettent de mieux visualiser les emplacements où la matière manque pour obtenir la pièce finale.

[0133] Il convient de souligner que ce phénomène est encore plus accentué lorsque la longueur du support augmente.

[0134] Ainsi, la figure 8 montre que le support 7’, qui présente la même largeur que le support 7 mais une plus grande longueur, présente une forme concave plus accentuée que celle du support 7.

[0135] Elle illustre la position relative de l’ébauche et de la pièce finale 6’. Les zones grisées correspondent aux parties de la pièce 6’ qui ne pourront pas être obtenues du fait de la déformation du support 7’.

[0136] Les figures 9A et 9B permettent de mieux visualiser les emplacements où la matière manque pour obtenir la pièce finale.

[0137] La solution à ce problème (si l’on exclut le bridage) consiste à augmenter fortement l’épaisseur du support, par rapport à l’épaisseur prévue dans l’ébauche théorique pour pouvoir réaliser la pièce finale en dépit des déformations du support, ce qui augmente la quantité de matière ainsi que le temps d’usinage nécessaires à l’obtention de la pièce finale.

[0138] Dans le cadre de l’invention, on prévoit, soit de maintenir l’épaisseur calculée théoriquement pour le support, soit de l’augmenter mais dans une mesure moindre de ce qu’imposent les procédés connus et de réaliser des redresseurs sur la face du support opposée à celle sur laquelle l’empilement est réalisé ainsi qu’éventuellement, sur la face du support sur laquelle l’empilement est réalisé.

[0139] Ainsi, s’il est nécessaire d’augmenter légèrement l’épaisseur du support, celle-ci est choisie la plus proche possible de l’épaisseur déterminée dans l’ébauche théorique et elle est inférieure à celle nécessaire pour la mise en œuvre des procédés classiques.

[0140] En référence aux figures 10 et 11, le procédé selon l’invention consiste à réaliser non seulement l’empilement 8 sur la face supérieure 70 du support, tel que prévu dans l’ébauche théorique illustrée à la figure 5, mais également plusieurs empilements 90 à 97 sur la face opposée 71 du support.

[0141] Ces empilements ont une fonction de redresseur, c’est-à-dire qu’ils sont prévus pour maîtriser la déformation du support lors de la formation de l’empilement 8 sur la face 70 du support.

[0142] Le sens de construction F₈ de l’empilement 8 est donc opposé au sens de la gravité, ce sens opposé étant matérialisé par la flèche G’.

[0143] Le sens de construction F₉ des redresseurs est, quant à lui, matérialisé par la flèche F₉et il correspond au sens de la gravité, matérialisé par la flèche G.

[0144] Dans l’exemple illustré aux figures 10 et 11, deux redresseurs 90 et 91 sont sensiblement au droit des parois 80 et 81 de l’empilement et centrés par rapport à celles-ci, tandis que deux autres redresseurs 92 et 93 sont sensiblement au droit des parois 82 et 83 de l’empilement et centrés par rapport à celles-ci. Enfin, une paire de redresseurs respectivement 94,95 et 96,97 est prévue entre un bord 72,73 du support 7 et les redresseurs 90 à 93.

[0145] Ces deux figures montrent déjà que la déformation du support 7 est moins importante que celle illustrée aux figures 6 à 9.

[0146] Ceci ressort également des figures 12A à 12D.

[0147] Les figures 12A et 12C permettent de comparer les déformations du support selon sa longueur, avec un procédé classique (figure 12A) et avec le procédé selon l’invention (figure 12C) qui prévoit la réalisation de redresseurs 90, 91 sur la face du support opposée à l’empilement.

[0148] Les figures 12B et 12D permettent de comparer les déformations du support selon sa largeur, avec un procédé classique (figure 12B) et avec le procédé selon l’invention (figure 12D).

[0149] Dans les deux cas, l’épaisseur du support est celle calculée pour l’ébauche théorique.

[0150] Il est maintenant fait référence aux figures 13 et 14 qui illustrent une variante de mise en œuvre du procédé illustré aux figures 10 et 11.

[0151] Le procédé selon l’invention consiste ici à réaliser l’empilement 8 sur la face supérieure 70 du support, tel que prévu dans l’ébauche théorique illustrée à la figure 5, mais également plusieurs empilements 90’ à 93’ à l’intérieur de l’empilement 8 et plusieurs empilements 94’ à 97’ sur la face opposée 71 du support.

[0152] Ces empilements 90’ à 97’ ont là encore une fonction de redresseur, c’est-à-dire qu’ils sont prévus pour maîtriser la déformation du support lors de la formation de l’empilement 8 sur la face 70 du support.

[0153] Le sens de construction L₈ de l’empilement 8 et des empilements 90’ à 93’ est opposé au sens de la gravité, ce sens opposé étant matérialisé par la flèche G’.

[0154] Le sens de construction E₉des redresseurs 94’ à 97’ est, quant à lui, matérialisé par la flèche E₉ et il correspond au sens de la gravité, matérialisé par la flèche G.

[0155] Dans l’exemple illustré aux figures 13 et 14, les redresseurs placés à l’intérieur de l’empilement forment deux paires, respectivement 90’,91’ et 92’,93’, disposées selon deux diagonales du carré formé par l’empilement 8 et perpendiculaires entre elles. Enfin, une paire de redresseurs respectivement 94’,95’ et 96’,97’ est prévue entre un bord 72,73 du support 7 et les redresseurs 90’ à 93’.

[0156] Les déformations correspondantes du support sont proches de celles obtenues pour l’ébauche illustrée sur les figures 10 et 11 et illustrées aux figures 12C et 12D.

[0157] Il est maintenant fait référence à la figure 15 qui illustre schématiquement les déformations du support lorsque l’on met en œuvre le procédé selon l’invention.

[0158] Cette figure illustre ainsi (en traits pointillés) un support 7 utilisé dans le cadre du procédé selon l’invention pour y réaliser des empilements par fabrication additive (ces empilements ne sont pas illustrés sur la figure).

[0159] L’épaisseur de ce support est sensiblement identique à celle de l’ébauche théorique, par exemple celle illustrée à la figure 5. Cette épaisseur est par exemple sensiblement égale à 10 mm, comme celle prévue dans l’ébauche théorique, alors que celle nécessaire pour un procédé classique est d’au moins 15 mm.

[0160] A l’intérieur de ce support, est représentée la partie 6 du support qui sera présente dans la pièce finie, après usinage. La face supérieure 60, respectivement la face inférieure 61 sont situées à une distance e de la face supérieure 70 du support, respectivement de sa face inférieure 71. Cette distance e correspond à la surépaisseur prévue dans l’ébauche théorique.

[0161] Enfin, est représenté en traits pleins le support à l’issue de la mise en œuvre du procédé, c’est-à-dire lorsqu’on! été formés à la fois les empilements et les redresseurs, comme illustré par exemple sur les figures 10,11 et 13,14.

[0162] Ce support 7A est déformé. Cependant, en tout point de la face supérieure 70A ou de la face inférieure 71A du support, sa déformation dy est inférieure à la valeur e de la surépaisseur. Les déformations dy_o et dy_n sont illustrées sur la figure 15 en deux points différents du support. Ces deux déformations se produisent dans des directions opposées.

[0163] Ainsi, le support 7A présente des déformations alternées, ce qui lui donne une forme générale de sinusoïde alors que le support illustré par exemple sur les figures 12A et 12B est déformé dans un seul sens et présente une forme générale en cuvette.

[0164] Les faces du support déformé encadrent les faces du support après usinage ou, en d’autres termes, restent à l’écart de ces faces 60 et 61, ce qui permet d’obtenir effectivement ce support après usinage. De ce fait, à l’intérieur du support, même déformé, pourra être obtenue la partie du support destinée à être présente dans la pièce finale.

[0165] Ce résultat est obtenu grâce à la réalisation d’empilements sur les deux faces du support, de façon à générer des déformations dans des sens opposés par rapport au support, certains de ces empilements n’étant pas présents dans la pièce finale et étant seulement prévus pour remplir une fonction de redresseur.

[0166] La matière nécessaire à l’obtention de ces empilements formant redresseurs est bien inférieure à celle qui serait présente dans un support plus épais, sur lequel l’ébauche serait obtenue par un procédé classique, son épaisseur étant choisie pour s’affranchir des déformations.

[0167] On rappelle à cet égard que les redresseurs peuvent être réalisés dans une matière dont le coût est inférieur à celle de la matière formant effectivement la pièce finale puisqu’ils sont destinés à être éliminés lors de l’usinage de l’ébauche.

[0168] Il convient encore de souligner que le gain de matière obtenu grâce au procédé selon l’invention est encore plus significatif quand la longueur du support augmente.

[0169] Il ressort de la description qui précède que, dans le cadre de l’invention, la notion d’ébauche peut avoir une signification un peu différente de celle généralement admise.

[0170] En effet, on entend généralement par ébauche, une matière répartie de manière spécifique dans l’espace qui sera présente dans l’objet final après usinage, à l’exception de la part de la matière formant des surépaisseurs et surlongueurs par rapport à l’objet final ou prévue pour tenir compte des contraintes liées au procédé employé. A titre d’exemple, il peut s’agir d’une contredépouille nécessaire pour assurer le démoulage de la pièce lorsque celle-ci est obtenue par forgeage.

[0171] Or, dans le cadre de l’invention, l’ébauche pourra comprendre un empilement dont la matière sera totalement absente de l’objet final. C’est le cas lorsque cet empilement constitue un redresseur dont la présence est prévue pour maîtriser la déformation du support.

[0172] Il convient également de noter que le procédé selon l’invention peut être mis en œuvre de façon manuelle. Cependant, il sera avantageusement mis en œuvre grâce à un logiciel.

[0173] Il peut s’agir alors d’un logiciel préétabli pouvant s’appliquer à une série de pièces identiques et qui est défini par des mesures préalables, des mises au point ou encore par modélisation et simulation numérique.

[0174] Il peut également s’agir d’un logiciel qui utilise à la fois l’impact sur l’ébauche à construire de motifs de dépôt types et des mesures provenant de capteurs présents sur une face du support pour en déduire les apports de matière sur l’autre face du support et vice versa.

[0175] Ce dernier type de logiciel permet d’ajuster en continu le pilotage des dispositifs de fabrication additive. En particulier, certaines zones de l’ébauche pourront être construites plus ou moins rapidement et la quantité d’énergie délivrée par les dispositifs de fabrication additive pourra également être limitée si nécessaire.

[0176] Ces logiciels peuvent mettre en œuvre des outils de simulation numérique connus tels que le logiciel SYSWELD de la société ESI ou le logiciel ABAQUS.

[0177] Le logiciel SYSWELD est un logiciel multi-physique d’analyse des éléments finis qui est classiquement utilisé pour le soudage et convient donc à la technique de fabrication additive avec apport de fil.

[0178] Le logiciel ABAQUS permet également de modéliser les déformations et les contraintes.

[0179] Comme il va de soi et comme il résulte également de ce qui précède, la présente invention n’est pas limitée aux modes de réalisation plus particulièrement décrits. Elle en embrasse au contraire toutes les variantes.

Claims

Revendications [Revendication 1] Procédé de fabrication d’au moins une ébauche d’un objet métallique final à partir d’un objet numérique, ladite ébauche comprenant au moins deux empilements distincts de couches superposées sur un support (1, 3,5, 7) métallique, le procédé comprenant des étapes successives de dépôt de matière métallique en fusion sur ledit support par apport local de matière métallique, combiné à un apport local d’énergie, ledit support (1,3,5, 7) définissant deux faces (10, 11 ; 30, 31 ; 50,51 ; 70,71) en visà-vis, le procédé étant caractérisé en ce que le dépôt de matière est réalisé sur les deux faces (10, 11 ; 30, 31 ;50,51 ; 70, 71) du support pour réaliser au moins un empilement sur chaque face et en ce que la totalité de la matière d’au moins un empilement est absente de l’objet final obtenu après usinage de l’ébauche. [Revendication 2] Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’au moins un empilement ( 12,13;32,33;52,53) est réalisé sur chaque face du support, le support (1, 3,5) étant destiné à être séparé en deux parties pour former deux ébauches. [Revendication 3] Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que sur au moins une face du support, sont réalisés au moins un empilement ( 12,13;32,33;52,53) qui fera partie au moins partiellement de l’objet final ainsi qu’au moins un empilement formant redresseur qui est destiné à être absent de l’objet final. [Revendication 4] Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’au moins un empilement (8) est réalisé sur une première face (70) du support (7), au moins un empilement formant redresseur (90 à 97; 94’ à 97’) étant réalisé sur la deuxième face pour former une ébauche, ledit au moins un empilement formant redresseur étant destiné à être totalement absent de l’objet final. [Revendication 5] Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite ébauche comprenant au moins trois empilements distincts, au moins un autre empilement formant redresseur (90’ à 93’) est réalisé sur la première face du support (1,3,5). [Revendication 6] Procédé selon l’une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les étapes successives de dépôt de matière métallique sont réalisées au moins en partie simultanément sur les deux faces du support. [Revendication 7] Procédé selon l’une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les étapes successives de dépôt de matière métallique sont réalisées au

moins en partie sensiblement en vis-à-vis sur les deux faces du support. [Revendication 8] Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu’au moins deux matières métalliques différentes sont déposées sur le support. [Revendication 9] Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu’au moins un desdits empilements est construit dans un sens (F_n ; F32, F_{33 ;}F₅₃.F₉ ) qui n’est pas opposé de celui de la gravité. [Revendication 10] Système de fabrication d’ébauche conçu pour la mise en œuvre du procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, comportant un support (1,3,5,7) métallique et au moins un dispositif de fabrication additive (20, 21 ; 40, 41) conçu pour déposer un matériau métallique sur ledit support dans un sens de construction qui n’est pas opposé à celui de la gravité. [Revendication 11] Système selon la revendication 10, caractérisé en ce qu’au moins un dispositif de fabrication additive est piloté en fonction d’un logiciel de commande préétabli. [Revendication 12] Système selon l’une des revendications 10 ou 11, caractérisé en ce qu’au moins un dispositif de fabrication additive est piloté par des mesures provenant de capteurs disposés à proximité du support.

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