FR3098742A1 - Fabrication additive selective sur lit de poudre, notamment pour pieces de turbomoteur - Google Patents

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Abstract

La présente invention concerne un procédé de fabrication additive sélective, dans lequel on chauffe un lit de poudre par exposition sélective à un faisceau généré par une source de puissance, le lit de poudre étant constitué par dépôt de différentes couches de poudre successives, caractérisé en ce que pour plusieurs couches successivement déposées : - pour chaque dépôt de couche, on fusionne et/ou consolide la poudre au niveau d’une zone de contour de la pièce ; - on fusionne et/ou consolide une zone de cœur à l’intérieur des zones de contours ainsi définis, après dépôt de ces différentes couches et fusion et/ou consolidation des zones de contours de celles-ci, ces différentes étapes étant itérées pour constituer la pièce. Figure pour l’abrégé : Figure 8

Description

FABRICATION ADDITIVE SELECTIVE SUR LIT DE POUDRE, NOTAMMENT POUR PIECES DE TURBOMOTEUR
DOMAINE DE L'INVENTION
La présente invention concerne les techniques de fabrication additive sélective sur lit de poudre.
La fabrication additive sur lit de poudre a connu un essor conséquent ces dernières années en raison notamment du développement des procédés de fabrication additive sur poudres métalliques, tels que la fusion sélective par laser (SLM ou « Selective Laser Melting » selon la terminologie anglosaxonne), le frittage laser direct de métal (DMLS ou « Direct metal laser sintering ») ou encore la fusion par faisceau d’électrons (EBM ou « Electron Beam Melting »).
La fabrication additive sélective consiste à réaliser des objets tridimensionnels par consolidation de zones sélectionnées sur des strates successives de matériau pulvérulent (poudre métallique, poudre de céramique). Les zones consolidées correspondent à des sections successives de l'objet tridimensionnel. La consolidation se fait, couche par couche, par une fusion sélective totale ou partielle réalisée avec une source de puissance focalisée, telle qu'une source optique (laser de forte puissance par exemple) ou encore une source de faisceau de particules (par exemple un faisceau d'électrons dans la technologie EBM).
Ces procédés ont l’avantage de permettre de produire des pièces métalliques avec une géométrie proche de la géométrie finale de la pièce souhaitée.
Pour des pièces à forte valeur ajoutée, la réalisation de pièces par métallurgie des poudres présente un intérêt économique certain en termes de cadence de production, réduction des temps des étapes d’usinage et de coût de réalisation.
Néanmoins, les états de surface en sortie de procédé ne permettent pas l’emploi direct des pièces.
En effet, selon le mode d’élaboration, les paramètres de construction (épaisseur de mise en couche notamment) et la nature des poudres utilisées (taille et composition chimique), des états de surfaces présentant des niveaux de rugosité élevés et irréguliers sont généralement obtenus. Ces états de surface s’avèrent incompatibles avec les exigences des bureaux d’étude en termes de rugosité (impact sur les performances aérodynamique dans les zones de passage de flux), mais aussi d’abattement sur les propriétés mécaniques (pièces soumises à des contraintes vibratoires en service) liés à ces états de surface dégradés.
Un des paramètres fortement contributeur à la dégradation de ces états de surface est l’épaisseur de mise en couche. Celles-ci sont aujourd’hui généralement comprises en 20 et 100µm afin d’augmenter la productivité du procédé.
Ces fortes épaisseurs de couches contribuent à la dégradation de la rugosité, ce d’autant que les poudres extérieures à la pièce viennent se coller sur les parties légèrement inclinées. Ainsi, plus les pièces sont complexes et présentent des contours inclinés, plus la rugosité augmente.
Aujourd’hui, les principales solutions techniques mises en œuvre pour améliorer les états de surface des pièces produites par fabrication additive s’attachent à retirer de la matière en surface des pièces de manière à obtenir des surfaces compatibles des exigences imposées par les bureaux d’étude.
Ces procédés peuvent être d’ordre mécanique (procédé de modification des états de surface par usinage, ou tribofinition) ou d’ordre chimique (usinage chimique ou électrochimique) ou encore être une combinaison des deux familles de procédés cités plus haut. Pour les pièces à géométries complexes ces procédés peuvent connaitre des limitations en termes d’efficacité et d’accessibilité.
Un but de l’invention est de proposer une solution qui améliore la rugosité des pièces obtenues.
Un autre but de l’invention encore est de proposer une solution qui permettent une rugosité satisfaisante, tout en autorisant des rendements de productivité importants.
Ainsi, selon un aspect, l’invention propose un procédé de fabrication additive sélective, dans lequel on chauffe un lit de poudre par exposition sélective à un faisceau généré par une source de puissance, le lit de poudre étant constitué par dépôt de différentes couches de poudre successives, caractérisé en ce que pour plusieurs couches successivement déposées :
- pour chaque dépôt de couche, on fusionne et/ou consolide la poudre au niveau d’une zone de contour de la pièce ;
- on fusionne et/ou consolide une zone de cœur à l’intérieur des zones de contours ainsi définis, après dépôt de ces différentes couches et fusion et/ou consolidation des zones de contours de celles-ci,
ces différentes étapes étant itérées.
Un tel procédé permet de réaliser des surfaces avec une faible rugosité (les contours extérieurs sont réalisés successivement sur des couches de petites épaisseurs), tout en permettant une très bonne productivité.
L’invention concerne également un dispositif de fabrication additive adapté pour mettre en œuvre l’invention.
Elle concerne en outre une pièce caractérisée en ce qu’elle est obtenue par un procédé de fabrication additive sélective proposé, ainsi qu’un turbomoteur d’aéronef ou un aéronef comportant une telle pièce.
DESCRIPTION DES FIGURES
D’autres caractéristiques, buts et avantages de l’invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels :
La figure 1 illustre un dispositif classique de fabrication de pièce par fusion sélective et/ou consolidation sélective de lits de poudre au moyen d'un faisceau d’une source de puissance.
Les figures 2 à 8 illustrent différentes étapes d’une mise en œuvre possible de l’invention.
La figure 9 illustre l’intérêt de l’invention dans le cas d’une géométrie inclinée.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
Généralités - Dispositif de fabrication additive sélective sur lit de poudre.
La figure 1 illustre un dispositif classique de fabrication de pièce par fusion sélective et/ou consolidation sélective de lits de poudre au moyen d'un faisceau d’une source de puissance.
Par consolidation, on entend ici et dans tout le présent texte essentiellement du frittage
Un tel dispositif est par exemple déjà décrit dans l’introduction de la demande FR3046556.
On dépose, par exemple à l'aide d'un outil d'étalement 20 (par exemple un rouleau), différentes couches successives de poudre 10a, 10b d'un matériau 25 sur un plateau de construction 21. Cette poudre est transvasée depuis un bac d'alimentation 22 lors d'un mouvement aller du rouleau 20 puis elle est raclée, et éventuellement légèrement compactée, lors d'un (ou de plusieurs) mouvement(s) de retour du rouleau 20. La poudre est composée de particules 11. L'excédent de poudre est récupéré dans un bac de recyclage 23.
La fusion ou la consolidation sélective des différentes couches du lit de poudre est obtenue au moyen d’une source de puissance 30 tel qu’un générateur de faisceau laser 31. Un système de pilotage 32 permet de diriger ce faisceau 31 sur n'importe quelle région du plateau de construction 21 et du lit de poudre déposé.
La mise en forme du faisceau de puissance 31 et la variation de son diamètre sur le plan focal se font respectivement au moyen d'un dilatateur de faisceau ou système de focalisation 35 et d'un « Beam Expander » 34, l'ensemble constituant le système optique. Ensuite, on porte une région de cette première couche 10a de poudre, par balayage avec un faisceau 31, à une température supérieure à la température de fusion de cette poudre.
Ce type de procédé de fabrication additive peut utiliser n'importe quel faisceau de haute énergie à la place du faisceau laser 31, et notamment un faisceau d'électrons, tant que ce faisceau est suffisamment énergétique pour fondre les particules de poudre et une partie du matériau sur lequel les particules reposent.
Des moyens informatiques (non représentés) contrôlent et synchronisent les différents éléments constituant le dispositif de fabrication.
Consolidation des contours puis du cœur sur des épaisseurs différentes - Exemple de mise en œuvre
Dans l’exemple illustré sur les figures 2 à 8, une première couche de poudre 10a est déposée sur le plateau 21 (figure 2).
Seul le contour 12a de la pièce est alors consolidé sur cette couche (figure 3). Les particules 11 de poudre de cette région de la première couche 10a sont fondues et forment un contour 12a d'un seul tenant, solidaire avec le plateau de construction 21.
La consolidation est obtenue grâce au balayage du faisceau, lequel est effectué par exemple par une tête galvanométrique faisant partie d'un système de pilotage 32. Cette tête galvanométrique est commandée selon les informations contenues dans la base de données de l'outil informatique utilisé pour la conception et la fabrication assistées par ordinateur de la pièce à fabriquer.
La largeur du contour 12a consolidé est par exemple égale à une ou plusieurs fois la largeur du spot du faisceau laser sur la couche de poudre 10a.
Ces deux étapes sont ensuite répétées sur plusieurs autres couches.
Notamment, pour une deuxième couche 10b, on abaisse le plateau de construction 21 d'une hauteur correspondant à l'épaisseur de la première couche de poudre 10a et on dépose cette deuxième couche 10b de poudre sur la première couche 10a (figure 3).
On chauffe ensuite par exposition au faisceau de la source 31 le contour 12b de la pièce au niveau de cette deuxième couche 10b (figure 4).
La zone correspondant au contour 12b est située partiellement ou complètement au-dessus du contour 12a consolidé, de telle sorte que les particules de poudre de cette région de la deuxième couche 10b sont fondues avec au moins une partie du contour 12a et forment un deuxième élément d'un seul tenant ou consolidé 12b. L'ensemble de ces deux éléments 12a et 12b forment un contour d'un seul tenant.
Dans l’exemple illustré sur les figures 2 à 8, l’opération est répétée avec une troisième couche de poudre 10c.
Celle-ci est étalée, puis le contour de la pièce au niveau de cette troisième couche fait l’objet d’une fusion / consolidation, afin d’obtenir un nouvel étage de contour 12c d’un seul tenant avec les contours 12a et 12b.
Une fois les différents contours 12a, 12b et 12c de la pièce ainsi consolidés, la source de puissance 30 balaye la zone (cœur C) à l’intérieur de ces contours pour consolider ladite zone sur une épaisseur de poudre correspondant au cumul des trois couches 10a, 10b et 10c.
La consolidation se fait alors en une seule fois sur l’ensemble du volume de ladite zone de cœur C.
Il en résulte une meilleure productivité que lors du balayage pour la consolidation des contours.
Lors de cette étape, la vitesse de balayage du faisceau 31 et/ou la puissance de la source 30 sont commandés pour délivrer une quantité de chaleur par unité de surface plus importante que dans le cas du balayage réalisé pour obtenir les contours 12a, 12b et 12c.
Le balayage dans la zone de cœur peut se faire en différents sens, avec le cas échéant des rattrapages ponctuels pour combler des défauts de fusion repérés au moyen d’un outil d’imagerie optique
Typiquement par exemple, dans le cas illustré sur ces figures, la puissance pourra être multipliée par trois, pour une vitesse de balayage identique.
Exemples de paramètres de mise en œuvre
Les épaisseurs des différentes couches de poudre sont choisies faibles : typiquement inférieures ou égales à 40 micromètres, préférentiellement inférieures à 25 micromètres et encore plus préférentiellement inférieures ou égales à 20 micromètres.
Les épaisseurs des différentes couches de poudre déposées (les couches 10a, 10b, 10c dans l’exemple ci-dessus) sont par exemple toutes identiques. Elles peuvent également varier d’une couche à l’autre.
Le nombre de couches superposées avant une opération de fusion d’une partie cœur à l’intérieur de contours est fonction de la puissance maximum de la source ou du type de poudre.
Dans l’exemple illustré sur les figures 2 à 8 où les couches successivement déposées sont toutes d’épaisseur identique, ce nombre de couches est de trois et l’épaisseur de la poudre au niveau de la zone cœur C est de 60 micromètres.
Le nombre de couches fusionnées au niveau de ladite zone de cœur C peut toutefois être plus important : jusqu’à une dizaine par exemple.
On notera ici en outre que le fait de fusionner plusieurs couches pendant cette opération évite les problèmes de décohésion ou de manque de fusion.
Dans le cas d’une consolidation par fusion laser, la puissance du laser est réglable par exemple entre 100 et 500 W, et plus préférentiellement entre 300 et 400 W. Ce réglage est fonction de la zone fusionnée (contours ou zone de cœur).
La vitesse de balayage du faisceau laser sur les couches de poudre est également réglable en fonction de la zone fusionnée : entre 300 et 10000 mm/s, et plus préférentiellement de l’ordre de 500 mm/s.
L’écart entre les lignes selon lesquelles le faisceau laser se déplace est compris entre 0,005 mm et 0,02 mm, et plus préférentiellement entre 0,007 mm et 0,015 mm.
La poudre de fabrication est par exemple à base d'un alliage d’aluminium et titane, par exemple Ti6Al4V, sous forme de poudre métallique. Tout autre matériau pourrait bien entendu convenir.
La granulométrie D50 de la poudre est par exemple de l'ordre de 35 µm.
Applications à des pièces de l’aéronautique
Le procédé qui vient être décrit est simple et peu onéreux. Il permet en outre des tolérances compatibles avec celles attendues dans le milieu de l'aéronautique
Il trouve avantageusement application dans le cas de pièces d’aéronefs, notamment des pièces de turboréacteurs à géométrie complexe, telles que des pales à cavité de circulation d’air, des segments de redresseurs,etc.
Comme on le comprend en effet sur la figure 9, dans le cas d’une zone inclinée, les marches entre les zones de contour 12a, 12b, 12c superposées et consolidées étant de petites dimensions, les zones d’accroche de poudre sont moins importantes. La profondeur moyenne de rugosité est donc moins élevée.
Les pièces obtenues peuvent néanmoins faire l'objet de traitement de finition (polissage, voire reprise par usinage de certaines surfaces). Elles peuvent également faire l'objet de traitements thermiques complémentaires (traitement de vieillissement à des températures comprises entre 350°C et 620°C, par exemple).

Claims (9)

  1. Procédé de fabrication additive sélective, dans lequel on chauffe un lit de poudre par exposition sélective à un faisceau généré par une source de puissance, le lit de poudre étant constitué par dépôt de différentes couches de poudre successives, caractérisé en ce que pour plusieurs couches successivement déposées :
    - pour chaque dépôt de couche, on fusionne et/ou consolide la poudre au niveau d’une zone de contour de la pièce ;
    - on fusionne et/ou consolide une zone de cœur à l’intérieur des zones de contours ainsi définis, après dépôt de ces différentes couches et fusion et/ou consolidation des zones de contours de celles-ci,
    ces différentes étapes étant itérées.
  2. Procédé de fabrication additive sélective selon la revendication 1, dans lequel la vitesse de balayage du faisceau et/ou la puissance de la source sont commandés pour délivrer une quantité de chaleur par unité de surface plus importante lors de la fusion et/ou consolidation de la zone cœur.
  3. Procédé de fabrication additive sélective selon la revendication 1, dans lequel l’épaisseur d’une couche de poudre déposée est inférieure ou égale à 40 micromètres.
  4. Procédé de fabrication additive sélective selon la revendication 3, dans lequel l’épaisseur d’une couche de poudre déposée est inférieure à 25micromètres.
  5. Procédé de fabrication additive sélective selon la revendication 4, dans lequel l’épaisseur d’une couche de poudre déposée est inférieure ou égale à 20 micromètres.
  6. Dispositif de fabrication additive sélective sur lit de poudre comportant :
    - une source de puissance pour la génération d’un faisceau pour le chauffage sélectif d’un lit de poudre,
    - des moyens pour déposer différentes couches de poudre successives,
    - des moyens de commande,
    caractérisé en ce que les moyens de commande sont adaptés pour la mise en œuvre du procédé selon l’une des revendications précédentes.
  7. Pièce caractérisée en ce qu’elle est obtenue par un procédé de fabrication additive sélective selon l’une des revendications 1 à 5.
  8. Turbomoteur d’aéronef caractérisé en ce qu’il comporte au moins une pièce obtenue par un procédé de fabrication additive sélective selon l’une des revendications 1 à 5.
  9. Aéronef caractérisé en ce qu’il comporte au moins une pièce obtenue par un procédé de fabrication additive sélective selon l’une des revendications 1 à 5.
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