FR3095143A1 - Procédé de fabrication d’une pièce par irradiation localisée d’un matériau par concourance d’au moins deux faisceaux - Google Patents

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Abstract

Procédé de fabrication d’une pièce par irradiation localisée d’un matériau apte à être fritté, fusionné ou photopolymérisé, comprenant : fourniture d’un volume (1) du matériau, dans lequel est destiné à être fabriqué la pièce dans sa totalité ; définition, dans ce volume (1), d’une pluralité de volumes cibles (4 ; 4’) distincts, l’ensemble des volumes cibles définissant la pièce à fabriquer ; pour chaque volume cible (4 ; 4’), irradiation simultanée du volume cible par au moins deux faisceaux (2) continus et concourants dans le volume cible ; libération de la pièce obtenue du reste de matériau non irradié. Le matériau est partiellement transparent auxdits faisceaux ; l’énergie déposée dans le volume cible par chaque faisceau est supérieure à Eseuil, la somme des énergies déposées dans le volume cible par chacun des faisceaux est supérieure ou égale à Eseuil de transformation. Figure pour l’abrégé : Figure 1 b

Description

Procédé de fabrication d’une pièce par irradiation localisée d’un matériau par concourance d’au moins deux faisceaux
La présente invention se rapporte au domaine de la fabrication de pièces par fusion sélective ou frittage sélectif d’un matériau sous forme de poudre ou par photopolymérisation d’un matériau de type résine sous forme de poudre ou à consistance pâteuse. En particulier, l’invention peut s’appliquer à la fabrication de pièces métalliques, céramiques ou polymères.
Les techniques de fabrication de pièces par fusion sélective ou frittage sélectif d’une poudre permettent de réaliser facilement des pièces plastiques, métalliques ou céramiques ayant une géométrie complexe.
Ces techniques consistent généralement en des procédés de fusion sélective ou frittage sélectif sur lit de poudre tels que décrits dans le document [1], qui comprennent habituellement une étape durant laquelle est déposée, sur un plateau de fabrication, une première couche de poudre d'un métal, d'un alliage métallique, d’une céramique ou d’un polymère d'épaisseur contrôlée, puis une étape consistant à chauffer avec un moyen de chauffage (par exemple un laser ou un faisceau d'électrons) une zone prédéfinie de la couche de poudre, et de procéder en répétant ces étapes pour chaque couche supplémentaire, jusqu'à l'obtention, tranche par tranche, de la pièce finale.
Ces procédés de fabrication additive sur lit de poudre présentent toutefois des inconvénients.
Tout d’abord, cela nécessite un temps de construction important puisque la construction de la pièce se fait couche par couche.
Par ailleurs, d’autres inconvénients sont liés au type de fabrication additive utilisée. Par exemple, dans le cas de la fabrication additive SLM (pour « Selective Laser Melting » en anglais), il est parfois nécessaire de mettre en place des moyens pour supporter la poudre, afin d’éviter qu’elle ne s’effondre au cours de la fabrication ; dans le cas de la fabrication additive EBM (pour « Electron Beam Melting » en anglais), on doit gérer le retrait de la poudre d’éventuels espaces internes de la pièce, tels que des canaux internes par exemple.
Le temps de fabrication et les géométries possibles des pièces sont donc conditionnés par la dépose de la poudre couche par couche et par la stratégie de fusion ou de frittage de la poudre et des moyens de support de la poudre mis en place.
Les mêmes problèmes se posent dans le cadre de la stéréolithographie par photopolymérisation, où le dépôt du matériau se fait également couche par couche, le matériau étant sous forme de poudre ou à consistance pâteuse.
Il existe par conséquent un besoin d’optimisation de la fabrication des pièces, qu’elles soient obtenues par fusion sélective ou frittage sélectif d’une poudre ou par photopolymérisation d’un matériau sous forme de poudre ou à consistance pâteuse.
Pour répondre au moins partiellement à ce besoin, l’invention a tout d’abord pour objet un procédé de fabrication d’une pièce par irradiation localisée d’un matériau apte à être fritté, fusionné ou photopolymérisé, ledit procédé comprenant les étapes de :
a) fourniture d’un volume du matériau, dans lequel est destiné à être fabriqué la pièce dans sa totalité ;
b) définition, dans le volume de matériau, d’une pluralité de volumes cibles distincts, l’ensemble des volumes cibles définissant la pièce à fabriquer ;
c) pour chaque volume cible, irradiation simultanée du volume cible par au moins deux faisceaux qui sont concourants dans le volume cible et qui sont continus, moyennant quoi on obtient la pièce ;
dans lequel le matériau est partiellement transparent auxdits au moins deux faisceaux ;
dans lequel l’énergie déposée dans le volume cible par chaque faisceau est inférieure à une énergie seuil, et la somme des énergies déposées dans le volume cible par chacun des faisceaux est supérieure ou égale à une énergie seuil de transformation ;
et dans lequel :
- lorsque le matériau est frittable et éventuellement fusionnable, l’énergie seuil est inférieure à une énergie de frittage du matériau et l’énergie seuil de transformation correspond à l’énergie de frittage du matériau, lorsqu’on souhaite obtenir un frittage sélectif dans le volume cible irradié, ou à l’énergie de fusion du matériau, lorsqu’on souhaite obtenir une fusion sélective dans le volume cible irradié ;
- lorsque le matériau est photopolymérisable, l’énergie seuil est inférieure à une énergie de photopolymérisation du matériau et l’énergie seuil de transformation correspond à l’énergie de photopolymérisation du matériau, lorsqu’on souhaite obtenir une photopolymérisation dans le volume cible irradié ;
d) libération de la pièce du reste de matériau non irradié.
Contrairement à l’art antérieur, où on dépose couche par couche le matériau sous forme de poudre ou à consistance pâteuse pour une fabrication tranche par tranche de la pièce, le volume de matériau dans lequel on réalise la pièce et qui est fourni à l’étape a), est déposé en une seule fois et on réalise ensuite une fusion, un frittage ou une photopolymérisation localement dans différents volumes cibles au sein de ce volume de matériau.
Selon une première variante, l’étape b) définissant plusieurs volumes cibles, les volumes cibles sont irradiés simultanément à l’étape c).
Selon une seconde variante, l’étape b) définissant plusieurs volumes cibles, les volumes cibles sont irradiés successivement à l’étape c).
Dans le cadre de la présente invention, on entend par « faisceau » un faisceau énergétique à rayonnement électromagnétique, comme par exemple un faisceau laser, ou un faisceau de particules, comme par exemple un faisceau d’électrons.
De préférence, les au moins deux faisceaux sont focalisés dans le volume cible. De cette façon, on s’assure de fusionner ou de fritter ou de photopolymériser le matériau localement à l’endroit souhaité. Avantageusement, les au moins deux faisceaux sont concourants en leur point de focalisation. Cela permet d’avoir une fusion, un frittage ou une photopolymérisation à l’endroit précis souhaité et aucun risque de fusion, de frittage ou de photopolymérisation en dehors du point de focalisation concourant des faisceaux.
Selon un mode de réalisation préféré de l’invention, les au moins deux faisceaux présentent la même énergie surfacique. Cela permet d’avoir des sources de faisceaux équivalents et cohérents. Cela permet également d’éviter que l’apport d’énergie d’un des deux faisceaux ne conduise à une fusion, à un frittage ou à une photopolymérisation, sans l’apport d’énergie du second faisceau.
Selon un autre mode de réalisation préféré de l’invention, les au moins deux faisceaux sont au nombre de trois. Cela permet de s’assurer une précision maximale sur la localisation de la zone de fusion, de frittage ou de polymérisation, au même titre qu’est utilisé la triangulation pour les services de type GPS.
De préférence, le procédé comprend en outre, avant l’étape b), une étape de compression du volume de matériau par application d’une pression sur ledit volume de matériau, l’application d’une pression étant de préférence maintenue au cours de l’étape c). Cette étape de compression peut par exemple être un pressage isostatique, c’est-à-dire une mise sous presse (avec une pression donnée qui ne varie pas et qui est identique dans toutes les directions) du volume de matériau.
Selon une première variante, le volume de poudre fourni à l’étape a) est sous forme de poudre. Le matériau sous forme de poudre peut être frittable, fusionnable ou photopolymérisable. Pour le matériau photopolymérisablen il peut par exemple s’agir d’une résine sous forme de poudre.
De préférence, à l’étape a), le matériau du volume de poudre se présente sous la forme d’un ensemble de particules empilées, divisé fictivement en un volume intérieur et un volume périphérique, qui entoure le volume intérieur, et à l’étape b), au moins un volume cible de la pluralité de volumes cibles est défini dans le volume intérieur. L’épaisseur du volume périphérique peut par exemple correspondre à l’épaisseur d’une couche de poudre déposée dans le cadre d’une fabrication additive par dépôt de poudre couche par couche.
De préférence, la poudre présente une granulométrie moyenne comprise entre 5 et 65 µm. On précise que, dans le présent exposé, l’expression « compris entre … et … » doit être entendu comme incluant les bornes.
Selon une seconde variante, le volume de poudre fourni à l’étape a) est une résine à consistance pâteuse, qui est photopolymérisable. Dans le cadre de la présente invention, on considère qu’une résine a une consistance pâteuse lorsqu’elle a une viscosité comprise entre 150 et 500 Pa.s à 30°C (la viscosité étant par exemple mesurée à l’aide d’un viscosimètre de type Brookfield).
De préférence, les au moins deux faisceaux sont des faisceaux énergétiques de même nature et sont choisis parmi les faisceaux laser, les faisceaux micro-ondes, les faisceaux UV et les faisceaux IR. Dans le cas d’un matériau photopolymérisable (sous forme de poudre ou à consistance pâteuse), on choisira des faisceaux UV.
L’invention sera mieux comprise et d'autres détails, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif en référence aux dessins annexés dans lesquels :
illustre une étape du procédé de fabrication selon l’invention ;
illustre une étape du procédé de fabrication selon l’invention ;
illustre une étape du procédé de fabrication selon l’invention.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
Selon l’invention, on utilise au moins deux faisceaux, de préférence trois faisceaux pour irradier simultanément et ainsi chauffer localement une portion d’un volume de matériau, cette portion étant appelée « volume cible ». Les faisceaux sont disposés concourants dans le volume cible et sont continus. Chaque volume cible de matériau est destiné à former, une fois à l’état fritté, fusionné ou photopolymérisé, une partie de la pièce à réaliser. En chauffant simultanément ou successivement plusieurs volumes cibles de matériau, on arrive donc à réaliser la pièce dans un même volume de matériau, sans avoir à réaliser un dépôt couche par couche du matériau, comme dans l’art antérieur. En évitant ce dépôt couche par couche du matériau, le procédé selon l’invention permet donc un gain de temps au cours de la fabrication d’une pièce. Il permet également la fabrication de pièces de toutes formes, la complexité de la forme de la pièce étant seulement limitée par la possibilité ou non de supprimer le matériau non irradié bloqué dans des canaux internes.
Le matériau peut être sous forme de poudre et la poudre de matériau peut être métallique, céramique ou polymère. La poudre métallique peut être un métal ou un alliage. La poudre peut être sous forme d’une résine photopolymérisable. Le matériau peut également être sous forme d’une résine à consistance pâteuse et photopolymérisable.
Le choix du type de faisceau à utiliser est effectué en fonction de l’énergie qu’il faut déposer dans le volume cible afin que le matériau fusionne, se fritte ou photopolymérise. Cela dépend donc du matériau, mais aussi du résultat que l’on souhaite obtenir, à savoir un frittage, une fusion ou une photopolymérisation. Si le matériau est sous forme de poudre et que l’on souhaite obtenir un frittage des particules, la somme des énergies déposées par chacun des faisceaux dans le volume cible, lorsqu’ils irradient simultanément ce volume cible en y étant concourants, doit être supérieure ou égale à une énergie seuil nécessaire au frittage. Si le matériau est sous forme de poudre et que l’on souhaite obtenir une fusion des particules, la sommes de ces énergies dans le volume cible devra être supérieure ou égale à une énergie seuil nécessaire à la fusion.
Il faut également que la matériau soit partiellement transparent aux faisceaux choisis afin que les faisceaux puissent atteindre le volume cible souhaité au sein du volume de matériau. On considère qu’un matériau est partiellement transparent à un faisceau dès lors qu’il absorbe jusqu’à 60% du faisceau (la valeur 0% étant exclue).
De préférence, on choisira des faisceaux énergétiques de même nature.
A titre d’exemple, on peut utiliser des faisceaux de micro-ondes pour la fusion d’une poudre métallique en un alliage à base de nickel (par exemple de type InconelTM718) ou en un alliage de titane (par exemple TA6V), de manière à obtenir une puissance totale comprise entre 200 et 400 W et/ou une énergie linéique comprise entre 0,01 J/mm et 1 J/mm. Par exemple, pour obtenir une puissance de 200 W, on peut utiliser deux faisceaux de 100 W. On peut ainsi réaliser des aubes de compresseur, par exemple.
Pour fusionner une poudre d’un polymère thermodurcissable, par exemple une poudre d’une résine époxyde, servant à la fabrication de panneaux acoustiques ou de pièces d’habillage moteur (éléments d’amortissement par exemple), on peut utiliser des faisceaux UV avec une puissance comprise entre 60 et 100 W et/ou une énergie surfacique comprise entre 0,001 et 0,05 J/mm2, ou des faisceaux laser avec une puissance comprise entre 20 et 40 W et/ou une énergie surfacique comprise entre 0,005 et 0,025 J/mm2.
Il est préférable qu’il y ait le moins d’espace possible entre les particules de poudre utilisée, de manière à éviter tout problème de déformations à l’intérieur de la pièce (effondrement dû à un manque matière) ou tout problème de manque de matière (porosités liées au fait qu’il y ait trop d’espace entre les grains de poudre avant la fusion et donc un retrait de matière après fusion). C’est la raison pour laquelle on préfère utiliser une poudre ayant une granulométrie comprise entre 5 µm et 65 µm. La poudre peut être tamisée pour obtenir la granulométrie souhaitée.
Il est également préférable que la poudre soit compactée avant de commencer le chauffage localisé de la poudre (par irradiation simultanée à l’aide d’au moins deux faisceaux d’un volume cible), afin d’éviter que la pièce en formation ne s’affaisse dans la poudre, du fait d’une densité plus importante et d’un retrait lors de la fusion qui peut être compris entre 1% et 10%. Il est en de même lorsque le matériau est sous forme d’une résine à consistance pâteuse.
Pour cela, on peut prévoir une étape de presse du matériau (sous forme de poudre ou à consistance pâteuse) avant l’étape b) de définition des volumes cibles dans le volume de matériau. On peut par exemple verser le matériau dans une matrice de compression et réaliser un pressage uniaxial en appliquant une pression sur la surface supérieure du volume de matériau. En variante, on peut également appliquer un pressage multiaxial (par exemple, six plaques autour d’un volume cubique, avec une pression égale sur chacune des six plaques). On obtient alors un compact de poudre ou de matériau à consistance pâteuse.
De préférence, on appliquera une pression mécanique constante sur le volume de matériau au cours de l’étape c) d’irradiation des volumes cibles conduisant au chauffage localisé ou à la photopolymérisation du volume de matériau. On peut par exemple envisager de verser le volume de matériau dans un récipient configuré avec des parois mobiles aptes à être déplacées afin d’appliquer une pression sur le volume de matériau tout au long du procédé de fabrication.
Selon un mode de réalisation préféré de l’invention illustré dans les figures 1a à 1c, on utilise trois faisceaux de même nature pour fusionner, fritter ou photopolymériser localement une poudre préalablement tamisée et compactée. Le matériau aurait également pu être une résine à consistance pâteuse, éventuellement préalablement compactée. En utilisant trois faisceaux, on a une précision idéale sur la zone où l’on souhaite fusionner, fritter ou photopolymériser la poudre, puisque comme dans le cas d’une triangulation satellite, on peut décrire un point précis de l’espace à partir de trois droites. Dans la figure 1a, la poudre 1 tamisée et compactée est représentée sous la forme d’un cube, et les origines des trois faisceaux 2 sont représentées par trois ronds 3. Dans la figure 1a, nous avons également représenté le volume de poudre intérieur 1i, qui est entouré par un volume de poudre périphérique 1p. Dans la figure 1b, les trois faisceaux sont dirigés simultanément vers un volume cible 4 de manière à ce qu’ils soient concourants dans ce volume cible 4. Le volume cible 4 est ici représenté comme situé à l’intérieur du cube de poudre tamisée et compactée, c’est-à-dire situé dans le volume intérieur 1i. La poudre contenue dans le volume cible 4, une fois fusionnée (ou frittée ou photopolymérisé), et refroidie, donne un volume de poudre fusionnée (ou frittée ou photopolymérisée) 5 (figure 1c) ; on choisit ensuite un autre volume cible 4’, on dirige les faisceaux dans ce volume cible 4’ et ainsi de suite jusqu’à obtenir la pièce complète.
En résumé, les trois faisceaux sont dirigés simultanément vers la poudre de manière à être concourants et concentrés en un même point, et plus précisément en un même volume cible de la poudre. Si l’on dispose de trois sources, elles sont bien évidemment disposées à distances suffisantes les unes des autres afin de pouvoir s’assurer de traiter avec précision la zone voulue. Ces trois faisceaux sont ensuite déplacés pour être concentrés en un autre volume cible de la poudre et ainsi de suite jusqu’à la réalisation complète de la pièce. De préférence, les volumes cibles traités sont adjacents.
Selon une variante préférée de l’invention, chacun des trois faisceaux est configuré pour que l’énergie déposée dans le volume cible soit égal à 1/3 de l’énergie nécessaire pour fusionner les particules du volume cible correspondant. Ainsi, la fusion des particules n’aura lieu qu’en cas de concentration simultanée des trois faisceaux dans le volume cible, évitant ainsi toute fusion (ou frittage) non souhaitée en cas de mauvais placement des faisceaux. Ainsi, la fusion peut se faire dans le volume de poudre au niveau de la zone spécifique souhaitée, sans nécessiter une dépose d’une nouvelle couche pour fusionner une autre tranche de la pièce à réaliser, puisque les faisceaux utilisés sont choisis en fonction de la poudre afin que la poudre soit partiellement transparente aux faisceaux (et puissent donc atteindre un volume cible situé à l’intérieur du volume de poudre (dans le volume intérieur 1i)), d’une part, et sans risquer de fusionner la poudre en dehors du volume cible (par exemple plus en profondeur dans le volume de poudre), car la fusion n’a lieu que dans le volume cible où les faisceaux sont simultanément concourants.
Les explications données ci-dessus sont également valables dans le cas d’un matériau de type résine à consistance pâteuse.
Le procédé selon l’invention a par exemple été utilisé pour réaliser une pièce à partir d’un compact de résine polymère (obtenu en compressant un volume de 50 litres d’une résine polymère thermodurcissable sous forme pâteuse ou sous forme de poudre en exerçant sur ce volume une pression de 15 MPa pendant une durée de 30 minutes) en dirigeant sur ce compact trois faisceaux UV ayant chacun une puissance de 30 W (soit une puissance totale de 90 W) et un diamètre de faisceau de 100 µm au point de convergence avec une vitesse de 2 mm/s.
Le procédé selon l’invention a également été utilisé pour réaliser une pièce à partir d’un compact de poudre d’InconelTM718, obtenu en compressant un volume de 100 litres de poudre d’InconelTM718 ayant des particules avec une granulométrie inférieure à 65 µm en exerçant une pression de 15 MPa pendant une durée de 2 h, en dirigeant sur ce compact une puissance de 300 W, à l’aide de trois faisceaux micro-ondes ayant chacun une puissance de 100 W et un diamètre de faisceau de 100 µm au point de convergence avec une vitesse de 1000 mm/s.
[1] FR 3 030 323 A1

Claims (12)

  1. Procédé de fabrication d’une pièce par irradiation localisée d’un matériau apte à être fritté, fusionné ou photopolymérisé, ledit procédé comprenant les étapes de :
    a) fourniture d’un volume (1) du matériau, dans lequel est destiné à être fabriqué la pièce dans sa totalité ;
    b) définition, dans le volume de matériau, d’une pluralité de volumes cibles (4 ; 4’) distincts, l’ensemble des volumes cibles définissant la pièce à fabriquer ;
    c) pour chaque volume cible (4 ; 4’), irradiation simultanée du volume cible par au moins deux faisceaux (2) qui sont concourants dans le volume cible et qui sont continus, moyennant quoi on obtient la pièce ;
    dans lequel le matériau est partiellement transparent auxdits au moins deux faisceaux ;
    dans lequel l’énergie déposée dans le volume cible par chaque faisceau est inférieure à une énergie seuil, et la somme des énergies déposées dans le volume cible par chacun des faisceaux est supérieure ou égale à une énergie seuil de transformation ;
    et dans lequel :
    - lorsque le matériau est frittable et éventuellement fusionnable, l’énergie seuil est inférieure à une énergie de frittage du matériau et l’énergie seuil de transformation correspond à l’énergie de frittage du matériau, lorsqu’on souhaite obtenir un frittage sélectif dans le volume cible irradié, ou à l’énergie de fusion du matériau, lorsqu’on souhaite obtenir une fusion sélective dans le volume cible irradié ;
    - lorsque le matériau est photopolymérisable, l’énergie seuil est inférieure à une énergie de photopolymérisation du matériau et l’énergie seuil de transformation correspond à l’énergie de photopolymérisation du matériau, lorsqu’on souhaite obtenir une photopolymérisation dans le volume cible irradié ;
    d) libération de la pièce du reste de matériau non irradié.
  2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l’étape b) définissant plusieurs volumes cibles, les volumes cibles sont irradiés simultanément à l’étape c).
  3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l’étape b) définissant plusieurs volumes cibles, les volumes cibles sont irradiés successivement à l’étape c).
  4. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel les au moins deux faisceaux sont focalisés dans le volume cible.
  5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel les au moins deux faisceaux sont concourants en leur point de focalisation.
  6. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel les au moins deux faisceaux présentent la même énergie surfacique.
  7. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel les au moins deux faisceaux sont au nombre de trois.
  8. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, comprenant en outre, avant l’étape b), une étape de compression du volume de matériau par application d’une pression sur ledit volume de matériau, l’application d’une pression étant de préférence maintenue au cours de l’étape c).
  9. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel le volume de matériau fourni à l’étape a) est sous forme de poudre.
  10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel la poudre présente une granulométrie moyenne comprise entre 5 et 65 µm.
  11. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel le volume de matériau fourni à l’étame a) est une résine à consistance pâteuse, qui est photopolymérisable.
  12. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel les au moins deux faisceaux sont des faisceaux énergétiques de même nature et sont choisis parmi les faisceaux laser, les faisceaux micro-ondes, les faisceaux UV et les faisceaux IR.
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