FR3096914A1

FR3096914A1 - Procédé de fabrication d'une pièce métallique tridimensionnelle et pièce ainsi obtenue

Info

Publication number: FR3096914A1
Application number: FR1905979A
Authority: FR
Inventors: Térence GRALL; Pierre Jacques COLAS Cédric; Jean-Louis SISTACH Hugo; David Soullier
Original assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2019-06-06
Filing date: 2019-06-06
Publication date: 2020-12-11
Anticipated expiration: 2039-06-06
Also published as: FR3096914B1

Abstract

L'invention concerne notamment un procédé de fabrication d'une pièce métallique tridimensionnelle par superposition d'une pluralité de plaquettes métalliques individuelles et assemblage de celles-ci. Ce procédé est remarquable en ce qu'il comprend notamment les étapes suivantes : a) fixation d'une première plaquette (20), dite plaquette inférieure, sur un support métallique (30) par fusion de cette première plaquette (20) de manière à la rendre solidaire dudit support métallique (30), cette fusion étant réalisée au moins dans une zone périphérique (PE) de la première plaquette (20) ; b) placement d'une deuxième plaquette (21) sur ladite première plaquette (20) et fixation de cette deuxième plaquette (21) de manière à la rendre solidaire de ladite première plaquette (20), cette fusion étant réalisée au moins dans une zone périphérique de la deuxième plaquette (20) ; c) réitération de l'étape b) pour les plaquettes métalliques suivantes (21). Figure pour l’abrégé : Figure 18

Description

Procédé de fabrication d'une pièce métallique tridimensionnelle et pièce ainsi obtenue

DOMAINE TECHNIQUE GENERAL

La présente invention se situe dans le domaine de la réalisation de pièces métalliques tridimensionnelles, par exemple de prototypes dans le domaine de l'aéronautique.

Elle se rapporte plus précisément à un procédé de fabrication d'une telle pièce, ainsi qu'à la pièce ainsi obtenue.

La fabrication de prototypes est une pratique très répandue dans l'industrie, notamment dans l'industrie aéronautique.

Ainsi, à titre d'exemple, on peut avoir recours à une fabrication additive par fusion de poudre métallique. Le résultat final de cette fabrication donne généralement satisfaction, sur le plan du rendu tridimensionnel du prototype.

Toutefois, la mise en œuvre de cette technique souffre de nombreuses contraintes. Parmi celle-ci, on retiendra principalement la gestion des risques liés à la manipulation de la poudre. En effet, celle-ci requiert le port d'équipements de protection individuelle (en abrégé "EPI") tels que des gants et un masque, afin que la poudre n'entre pas en contact avec la peau, les muqueuses et les voies respiratoires.

Par ailleurs, un autre inconvénient de cette technique est qu'elle est chronophage.

Une autre technique, mettant en œuvre la fusion d'un fil métallique permet de réaliser des formes complexes, mais est limitée en taille des pièces, elle-même conditionnée au diamètre du fil métallique.

On connait par ailleurs une technique dite "Stratoconception" (marque déposée), qui est notamment décrite dans les documents EP0585502 et FR2789187. Selon ces documents, on se propose de réaliser des pièces mécaniques et des objets, notamment de prototypes. Plus précisément, on fabrique ces pièces en couches ou strates élémentaires, on procède à la reconstitution de l'ensemble des couches et on procède à l'assemblage de ces couches.

Parmi les méthodes d'assemblage des couches, on cite notamment la mise en place d'inserts et de vis. On évoque également le collage, le soudage et le moulage, sans aucunement rentrer dans le détail de ces techniques.

On conçoit aisément que la technique décrite dans ces documents se prête bien à l'obtention d'objets pour lesquels on cherche à reproduire le plus fidèlement possible la forme tridimensionnelle extérieure. Mais la mise en place d'inserts nécessite que certaines parties des objets soient creuses.

Dans ces conditions, il est probable que les objets obtenus possèdent des paramètres mécaniques, notamment de résistance, qui n'ont rien de comparable par rapport à ceux d'un même objet, mais fabriqué selon une fabrication de série. De plus, la présence de creux dans les pièces leur donne un caractère anisotrope.

L'invention a pour but de perfectionner la technique décrite dans les documents précités, de manière à proposer notamment un procédé simple de fabrication de pièces métalliques tridimensionnelles, lesquelles présentent des paramètres mécaniques élevés, notamment de résistance, ainsi qu'un caractère isotrope.

A cet effet, l'invention concerne un procédé de fabrication d'une pièce métallique tridimensionnelle par superposition d'une pluralité de plaquettes métalliques individuelles et assemblage de celles-ci, caractérisé en ce qu'il comprend notamment les étapes suivantes :

a) fixation d'une première plaquette, dite plaquette inférieure, sur un support métallique par fusion de cette première plaquette de manière à la rendre solidaire dudit support métallique, cette fusion étant réalisée au moins dans une zone périphérique de la première plaquette ;

b) placement d'une deuxième plaquette sur ladite première plaquette et fixation de cette deuxième plaquette de manière à la rendre solidaire de ladite première plaquette, cette fusion étant réalisée au moins dans une zone périphérique de la deuxième plaquette ;

c) réitération de l'étape b) pour les plaquettes métalliques suivantes.

Ainsi, grâce à l'étape a) de ce procédé, on assure une parfaite stabilité de la première plaquette vis-à-vis du support, ce qui se répercute favorablement sur le reste de la fabrication.

De plus, la fusion étant mis en œuvre dans une zone périphérique de la plaquette, c'est à dire par le dessus de celle-ci, on améliore le caractère isotrope de l'ensemble.

Selon d'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives de de ce procédé, prises seules ou en combinaison :

- ladite fusion réalisée au moins dans une zone périphérique desdites plaquettes est mise en œuvre selon une pluralité de fusions effectuées ponctuellement ;

- ladite fusion réalisée au moins dans une zone périphérique desdites plaquettes est faite selon un cordon continu et fermé ;

- ladite fusion est complétée par une fusion supplémentaire réalisée au centre desdites plaquettes ;

- à la suite de chacune desdites fusions, on réitère celles-ci sur au moins une fraction de la surface restante de ladite plaquette, à savoir la surface commune avec la plaquette sous-jacente ;

- l'on réitère ladite fusion sur l'intégralité de la surface restante de ladite plaquette ;

- ladite fusion est réalisée en faisant usage de l'une ou l'autre des techniques suivantes : fusion par laser, par faisceau d'électrons, par plasma, par soudage TIG, par friction-malaxage, ou par une combinaison quelconque d'au moins deux de ces techniques ;

- l'on réitère ladite fusion par balayage de ladite surface restante ;

- ce procédé comporte une étape ultime de séparation ladite pièce métallique tridimensionnelle obtenue, dudit support métallique ;

- l'on met en œuvre ladite séparation par tronçonnage, par découpage à l'aide d'un fil ou par électroérosion ;

- lesdites plaquettes sont obtenues par découpage d'au moins une plaque de dimensions supérieures à celle de l'une desdites plaquettes.

L’invention se rapporte également à la pièce obtenue par la mise en œuvre du procédé selon l'une ou l'autre des caractéristiques énumérées plus haut.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront de la description qui va maintenant en être faite, en référence aux dessins annexés, qui en représentent, à titre indicatif mais non limitatif, différents modes de réalisation possibles.

Sur ces dessins :

est un schéma montrant une installation qu'il est possible d'utiliser pour mettre en œuvre le procédé selon la présente invention ;

est aussi un schéma montrant une autre installation qu'il est possible d'utiliser pour mettre en œuvre le procédé selon la présente invention ;

est un schéma montrant une opération de découpage de plaquette dans une plaque métallique de grandes dimensions ;

est un schéma montrant une opération de séparation des plaquettes de la plaque de la figure 3 ;

est un schéma montrant une première plaquette disposée sur un support métallique ;

est un schéma montrant une opération de fusion réalisée sur la première plaquette de la figure précédente, en vue de la rendre solidaire du support ;

est un schéma analogue à celui de la figure 6, montrant une opération additionnelle de fusion ;

est une vue en coupe transversale du schéma de la figure 7 ;

est une vue de dessus du schéma de la figure 6 ;

est une vue analogue à la figure 9, destinée à illustrer comment peut être mise une fusion complémentaire du reste de la surface de la première plaquette ;

est une vue analogue à la figure 9, qui montre le résultat d'une opération de fusion réalisée sous la forme d'un cordon fermé périphérique ;

est une vue analogue à la figure 11, destinée à illustrer comment peut être mise une fusion complémentaire du reste de la surface de la première plaquette ;

est un schéma destiné à expliquer comment peut être mis en œuvre une variante supplémentaire de ladite fusion ;

est également un schéma destiné à expliquer comment peut être mis en œuvre une variante additionnelle de ladite fusion ;

est un schéma illustrant la mise en œuvre de la fusion par balayage selon des aller et retours ;

est un schéma analogue à la figure 15, illustrant le fait que pour la plaquette disposée au-dessus de la précédente, le balayage est réalisé selon une orientation perpendiculaire à la précédente ;

est un schéma analogue à la figure 5, montrant une plaquette additionnelle positionnée sur la première plaquette ;

est un schéma analogue à la figure 6 montrant une opération de fusion réalisée sur la plaquette additionnelle de la figure précédente, en vue de la rendre solidaire de la première plaquette ;

est un schéma analogue à la figure 7, montrant une opération additionnelle de fusion ;

est une vue en coupe transversale du schéma de la figure précédente ;

est un schéma analogue à la figure 19, la plaquette additionnelle étant disposée en léger porte à faux par rapport à la première plaquette ;

est une vue en coupe transversale du schéma de la figure précédente ;

est une vue de dessus des deux plaquettes de la figure 21

est un schéma analogue à la figure 18 montrant une opération de fusion réalisée sur une troisième plaquette de la figure précédente, en vue de la rendre solidaire de la plaquette positionnée immédiatement en dessous ;

est une vue en coupe transversale du schéma de la figure précédente ;

est une vue analogue au schéma de la figure 24, après réalisation de la fusion ;

est une vue en coupe transversale du schéma de la figure précédente.

VOCABULAIRE UTILISE

Dans l'ensemble de la présente demande, y compris dans les revendications, on utilisera le terme "plaquette" pour désigner une fraction d'une plaque de plus grandes dimensions. Autrement dit, cette plaquette (ou "partie de plaque", ou encore "fraction de plaque") présente la même épaisseur que la plaque, mais une surface plus réduite que cette dernière. Par ailleurs, plusieurs plaquettes peuvent être extraites d'une même plaque.

A la figure 1 annexée est représentée une installation I1 de fabrication d'une pièce métallique tridimensionnelle qui peut être utilisée pour mettre en œuvre le procédé selon l'invention.

Cette installation I1 comporte plusieurs postes.

Le premier d'entre eux consiste en un poste P1 de stockage de plaques ou de tôles métalliques 1. Dans l'exemple représenté ici, ces plaques 1 présentent toutes la même épaisseur et toutes les mêmes dimensions. Ceci n'est pas obligatoire, de sorte que l'on peut envisager des situations dans lesquelles les épaisseurs de ces plaques sont différentes, de même que leurs formes et dimensions.

L'installation I1 comporte également un poste P2 de découpe des plaques du poste P1. Dans l'exemple figurant ici, trois plaquettes 20, 21 et 22 sont découpées. Là encore, il s'agit d'un simple exemple. En effet, il peut être envisagé de découper un nombre supérieur ou inférieur de plaquettes. Par ailleurs, les plaquettes 20 à 22 ont ici un contour carré ou rectangulaire. Bien entendu, dans la pratique, cette forme dépend de la physionomie de la pièce tridimensionnelle à reconstituer.

A proximité du poste P2, on a affaire à un poste P3 de fabrication de la pièce tridimensionnelle.

Ce poste comprend essentiellement une table 3 sur laquelle est disposé un support métallique 30 lui-même est calé sur la table 3 par des moyens non représentés.

C'est à ce poste P3que les différentes plaquettes prélevées dans la plaque 1 au poste P2, sont assemblées les unes sur les autres. On reviendra ultérieurement plus en détails sur la manière dont on procède.

Enfin, l'installation comporte un poste P4 d'évacuation des plaques P1 dans lesquelles les plaquettes 20 à22 ont été prélevées préalablement.

Pour la mise en œuvre du procédé et comme représenté ici, on utilise un robot multiaxe 6 équipé d'une ventouse et qui permet notamment de déplacer les plaques 1 du poste P1 au poste P2, de déplacer les plaquettes 20 à 22 du poste P2 au poste P3, et de déplacer les plaques 1 dans lesquelles les plaquettes ont été prélevées, du poste P2 au poste P4.

L'installation I2 représentée à la figure 2 présente sensiblement la même structure que l'installation précédente I1. Elle s'en différencie toutefois par le fait qu'en lieu et place du robot multiaxe 6, on a affaire à un pont roulant 7 muni d'une ventouse 70, ce pont roulant 7 étant mobile selon l'axe Y le long de paires de rails référencées 72.

Aussi bien pour la première installation I1 que la deuxième I2, l'ensemble des opérations de transfert de découpe et de déplacement du robot 6 ou du pont roulant 7 peut être géré un ordinateur configuré pour réaliser l'ensemble de ces opérations.

Dans la suite de la description, nous passerons en revue chacune des opérations mises en œuvre, conformément à un mode de réalisation possible du procédé selon l'invention.

Ainsi, en référence à la figure 3, on se trouve au poste P2 présenté précédemment dans lequel, dans une plaque 1, sont découpées plusieurs plaquettes 20, 21 et 22.

L'épaisseur de la plaque 1 est choisie en fonction de l'objet tridimensionnel à réaliser. Cette épaisseur est par exemple comprise entre 0,5 et 60 mm.

Afin de découper la plaque, on utilise par exemple un faisceau laser 4. Bien entendu, d'autres procédés de découpe peuvent être utilisés, tels qu'un procédé de découpe par arc ou par faisceau d'électrons. La nature du moyen utilisé dépendra essentiellement de l'épaisseur de la plaque à découper.

Une fois les plaquettes 20 à 22 découpées, on les prélève de la plaque 1, comme représenté à la figure 4, à la suite de quoi on positionne une première plaquette, en l'occurrence la plaquette 20 dans le cas illustré, sur le support métallique 30 de la figure 5.

Préférentiellement, le support métallique 30 est de même nature que le métal des plaquettes20 à 22. Il s'en différencie essentiellement par le fait qu'il présente des dimensions importantes et une épaisseur supérieure à celle des plaquettes.

Dans une première étape du procédé revendiqué, on procède à la fixation de cette première plaquette 20 dite "plaquette inférieure" sur le support métallique 30, par fusion de cette première plaquette de manière à la rendre solidaire du support métallique, cette région étant réalisée dans une zone périphérique PE de la première plaquette.

La fusion est donc opérée par le dessus de la plaquette 20, au travers de son épaisseur.

Cette opération, également appelée "pointage", a pour but principal de rendre la plaquette 20 parfaitement solidaire du support métallique 30, de manière à ce que la plaquette soit stable, c'est à dire complètement immobilisée.

Cette opération de pointage est avantageusement utilisée par un rayonnement laser 5 et comme indiqué plus haut, elle est mise en œuvre dans une zone périphérique PE de la plaquette 20.

Par l'expression "zone périphérique", on entend la zone de bordure de la face supérieure de la plaquette 20. Dans le cas présenté ici, ce pointage est réalisé dans régions différentes de la plaquette 20, référencées 200, qui correspondent sensiblement aux angles de celle-ci.

Dans une opération ultérieure possible, représentée à la figure 7, on procède à la fusion d'une partie substantielle du reste de la plaquette 20, de telle sorte qu'une partie additionnelle, voire l'ensemble de sa surface soit balayé par le laser et qu'une liaison supplémentaire soit établie entre la plaquette 20 et le support métallique 30.

Sur cette figure, on a simplement illustré par un point 201 que le début de la fusion est réalisé. Toutefois, et comme montré à la figure 8, on procède par impacts successifs du rayonnement laser de manière à juxtaposer une multitude de points 201 qui matérialisent autant de zones de fusion.

Préférentiellement, cette opération est réalisée en mettant en œuvre une puissance inférieure à celle qui a permis le pointage, mais est réalisée pendant une durée supérieure.

La figure 9 représente, vue de dessus, la situation de la figure 6.

Dans un mode de réalisation différent, on peut procéder à l'opération de pointage comme montré à la figure 11. Ceci signifie que l'on procède à la fusion dans la zone périphérique PE sous la forme d'un cordon continu et fermé qui suit le contour de la plaquette.

Ensuite et pour chacun des modes de réalisation envisagé, la fusion ultérieure de la plaquette est mise en œuvre par balayages successifs, dans une direction donnée puis dans la direction opposée, de la surface de la plaquette 20, comme le montrent les flèches 201 et 203 des figures 10 et 12 respectivement.

Les figures 13 et 14 présentent d'autres configurations de balayage.

Plus particulièrement en référence à la figure 13, on procède à un balayage du laser de fusion selon des droites disposées en diagonale par rapport bord de la plaquette, tandis qu'à la figure 14 on procède par petites zones, en l'occurrence neuf zones, dans lesquelles on procède ensuite à un balayage selon des orientations différentes.

Cela permet de modifier la structure globale de la plaquette ainsi fusionnée et plus particulièrement la microstructure de la pièce finale.

Avantageusement, et comme montré aux figures 15 et 16, dès lors que l'on aura affaire à une deuxième plaquette qui est superposée à la première, comme montré à la figure 16 sous la référence 21, le balayage sera réalisé dans une direction perpendiculaire à la précédente, de manière à augmenter la cohésion des deux plaquettes.

Les figures 17 à 20 représentent la situation dans laquelle on procède au placement, sur la première plaquette 20 d'une deuxième plaquette 21 de surface inférieure. Les opérations décrites en référence à la première plaquette 20 sont réitérées sur cette deuxième plaquette de manière à procéder à la fusion de cette dernière, comme montré plus particulièrement à la figure 20.

Aux figures 21 à 23, on a affaire à une deuxième plaquette identique à celle des figures 17 à 20. Toutefois, compte tenu de la structure de la pièce tridimensionnelle que l'on souhaite réaliser, cette deuxième plaquette 21 est positionnée en léger porte-à-faux par rapport à la première plaquette 20. Dans ces conditions, on comprend aisément que les opérations de pointage et de fusion ne sont opérées que sur la fraction SC de la surface de la plaquette 21 qui est commune avec la plaquette 20 sous-jacente.

Les opérations qui viennent d'être décrites précédemment sont bien entendu réitérées avec une troisième plaquette 22, comme montré aux figures 24 à 27, puis avec d'autres plaquettes si cela est nécessaire.

En fin de fabrication, la pièce ainsi réalisée doit être séparée du support métallique 30. Pour ce faire, on peut procéder par tronçonnage, par découpage à l'aide d'un fil ou par électroérosion.

Il est bien entendu possible de prévoir des plaques 1 présentant des épaisseurs différentes afin d'affiner la géométrie de la pièce à réaliser.

Ainsi, à titre d'exemple, si l'on souhaite fabriquer une pièce qui a la forme générale d'un sablier, on utilisera de préférence des plaques de petite épaisseur pour former la zone centrale du sablier où sa section est restreinte.

Au contraire, afin d'accélérer le procédé dans les zones qui ne nécessiteraient pas d'évolution de géométrie, on peut utiliser des plaques de forte épaisseur.

L'important est d'avoir une paramétrie adaptée à l'épaisseur de la plaque à fusionner afin de garantir la liaison entre les couches.

Ainsi, la description qui précède a été effectuée en considérant que la découpe, le pointage et la fusion étaient réalisés avec un rayonnement laser. Une telle technique convient bien à des plaques dont l'épaisseur est comprise entre 0,5 et 5 mm. En revanche, dès lors que l'on a affaire à des épaisseurs différentes, on peut avoir recours à d'autres techniques. Il s'agit tout particulièrement :

- du soudage TIG pour des épaisseurs comprises entre 0,5 et 2,5 mm ;

- d'un faisceau d'électrons pour des épaisseurs comprises entre 1 et 60 mm ;

- d'un plasma pour des épaisseurs comprises entre 2,5 et 8 mm.

Claims

Procédé de fabrication d'une pièce métallique tridimensionnelle par superposition d'une pluralité de plaquettes métalliques individuelles (20, 21, 22) et assemblage de celles-ci, caractérisé en ce qu'il comprend notamment les étapes suivantes :
a) fixation d'une première plaquette (20), dite plaquette inférieure, sur un support métallique (30) par fusion de cette première plaquette (20) de manière à la rendre solidaire dudit support métallique (30), cette fusion étant réalisée au moins dans une zone périphérique (PE) de la première plaquette (20) ;
b) placement d'une deuxième plaquette (21) sur ladite première plaquette (20) et fixation de cette deuxième plaquette (21) de manière à la rendre solidaire de ladite première plaquette (20), cette fusion étant réalisée au moins dans une zone périphérique de la deuxième plaquette (20) ;
c) réitération de l'étape b) pour les plaquettes métalliques suivantes (21).
Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ladite fusion réalisée au moins dans une zone périphérique (PE) desdites plaquettes (20, 21, 22) est mise en œuvre selon une pluralité de fusions effectuées ponctuellement.
Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ladite fusion réalisée au moins dans une zone périphérique (PE) desdites plaquettes (20, 21, 22) est faite selon un cordon continu et fermé.
Procédé selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé par le fait que ladite fusion est complétée par une fusion supplémentaire réalisée au centre desdites plaquettes (20, 21, 22).
Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que, à la suite de chacune desdites fusions, on réitère celles-ci sur au moins une fraction de la surface restante de ladite plaquette (20, 21, 22), à savoir la surface commune avec la plaquette sous-jacente (20, 21, 22).
Procédé selon la revendication 5, caractérisé par le fait que l'on réitère ladite fusion sur l'intégralité de la surface restante de ladite plaquette (20, 21, 22).
Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que ladite fusion est réalisée en faisant usage de l'une ou l'autre des techniques suivantes : fusion par laser, par faisceau d'électrons, par plasma, par soudage TIG, par friction-malaxage, ou par une combinaison quelconque d'au moins deux de ces techniques.
Procédé selon l'une des revendications 5 ou 6, prise en combinaison avec la revendication 7, caractérisé par le fait que l'on réitère ladite fusion par balayage de ladite surface restante.
Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait qu'il comporte une étape ultime de séparation ladite pièce métallique tridimensionnelle obtenue, dudit support métallique (30).
Procédé selon la revendication 9, caractérisé par le fait que l'on met en œuvre ladite séparation par tronçonnage, par découpage à l'aide d'un fil ou par électroérosion.
Procédé selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé par le fait que lesdites plaquettes (20, 21, 22) sont obtenues par découpage d'au moins une plaque (2) de dimensions supérieures à celle de l'une desdites plaquettes (20, 21, 22).
Pièce métallique tridimensionnelle obtenue par la mise en œuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 11.