FR3100145A1 - Outillage de fabrication additive par fusion laser avec boucliers anti-turbulences - Google Patents

Outillage de fabrication additive par fusion laser avec boucliers anti-turbulences Download PDF

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Abstract

Outillage (10) comportant une tête laser (18) destinée à émettre un faisceau laser (L) définissant un axe longitudinal (X), un premier, un deuxième et un troisième bacs (12, 14, 16) respectivement alignés sur un premier plan transversal sensiblement perpendiculaire à l’axe longitudinal (X), les trois bacs comportant chacun un plateau mobile (24, 26, 28) le long de l’axe longitudinal (X), chaque plateau étant destiné à recevoir une épaisseur de poudre dont les extrémités libres définissent trois lits de poudre alignés sur un second plan transversal, l’outillage comportant en outre un racleur mobile (20) destiné à se déplacer sur un troisième plan transversal à la surface des bacs de manière à être au contact avec chacun des lits de poudre, caractérisé en ce qu’il comporte un premier et un deuxième boucliers mobiles (30, 32) destinés à se déplacer sur le même troisième plan transversal que le racloir mobile. Figure pour l'abrégé : Figure 4

Description

OUTILLAGE DE FABRICATION ADDITIVE PAR FUSION LASER AVEC BOUCLIERS ANTI-TURBULENCES
Domaine technique de l'invention
La présente invention concerne les procédés de fabrication additive par fusion laser, en particulier dans le domaine aéronautique.
Arrière-plan technique
La fabrication additive se définit comme le procédé de mise en forme d’une pièce par ajout de matière, à l’opposé de la mise en forme traditionnelle qui procède par enlèvement de matière (usinage).
La fabrication additive présente de nombreux avantages, elle permet notamment de fabriquer des formes très complexes, certaines irréalisables avec les procédés conventionnels, et avec une grande diversité de matériaux. Cela permet également de réaliser des pièces monobloc, c’est-à-dire des pièces sans assemblage. Les délais de fabrication sont également intéressants pour des productions de pièces en série car on ne nécessite pas d’outillage. En fonction des pièces, la fabrication additive peut permettre une réduction importante des coûts de fabrication et une simplification du processus global (par exemple une suppression de certains traitements thermiques, pas d’opérations multiples tournage et/ou de fraisage).
Plus précisément, la fabrication additive en fusion laser, est un procédé qui consiste à agréger par fusion sélective, dans une enceinte sous gaz neutre, les particules d’un lit de poudre (voir figures 1 et 2).
Ce lit de poudre est mis en place sur une plateforme de construction. La fusion se fait au moyen d’un faisceau laser qui balaie la surface du lit de poudre et fait fondre la poudre sur une section déterminée (par une modélisation préalable, par exemple), appelée zone de fusion. Après solidification de la partie fondue du lit de poudre, la plateforme de construction est abaissée pour pouvoir étaler une nouvelle couche de poudre d’épaisseur prédéterminée. Le laser balaie à nouveau la surface de la poudre pour créer une section additionnelle superposée à la couche précédente. La pièce en trois dimensions (3D) est en quelque sorte un empilement de strates planes en deux dimensions (2D). En d’autres termes, on peut dire que le procédé de fusion laser consiste à fusionner une couche de poudre par l’intermédiaire d’un faisceau laser sur une surface donnée et à incrémenter verticalement la position du plateau pour obtenir une forme 3D.
La fabrication de pièces en fusion laser est ainsi réalisée avec un outillage 10 formant machine spécifique comprenant en particulier trois bacs de poudre 12, 14, 16 (un pour la réserve de poudre, un pour la fusion et un pour le surplus), une tête laser 18, un racleur mobile 20 et un système de projection d’argon 22 comportant au moins une grille de flux de gaz du système de projection 22 (voir figure 2).
Les sources laser présentes dans les machines de fusion sont classiquement de type Nd:YAG fibrés de longueur d’onde 1 064 nm, avec des puissances allant de 50 à 1 000 W, et utilisés en mode continu.
De manière bien connue en soi l’acronyme Nd :YAG vient du nom anglais :neodymium-doped yttrium aluminium garnetou, en français, grenat d'yttrium-aluminium dopé au néodyme (Nd:Y3Al5O12) est un cristal utilisé comme milieu amplificateur pour les lasers utilisant des milieux solides.
Les faisceaux sont généralement de type Gaussien ou, depuis peu, uniforme sur certains lasers de 1 000 W. Sur certains équipements, il est possible de trouver jusqu’à quatre sources laser qui travaillent simultanément.
La fabrication est effectuée sous atmosphère contrôlée d’argon (Ar) ou de diazote (N2). Le choix du gaz protecteur est défini par le type de matériau utilisé. La pureté du gaz, ainsi que l’étanchéité de l’enceinte de fabrication jouent un rôle important sur le procédé de fusion. Souvent la température de l’enceinte peut être un élément majeur de la fabrication, car elle peut conduire à étuver la poudre ou à relaxer des contraintes.
Pour protéger la fusion ainsi que le bain de fusion, on projette, en plus, un flux laminaire d’argon (Ar) de manière à éliminer les particules qui pourraient se redéposer sur la partie fraichement fusionnée, et à plaquer la poudre au moment de la fusion.
Néanmoins cette projection génère des turbulences dans certaines zones dans la cavité qui induisent des défauts métallurgiques sur les parties situées au bord de la cuve de fusion laser.
Pour pallier cet inconvénient, l’invention propose un outillage de fabrication additive par fusion laser, l’outillage comportant une tête laser destinée à émettre un faisceau laser définissant un axe longitudinal, un premier, un deuxième et un troisième bacs respectivement alignés sur un premier plan transversal sensiblement perpendiculaire à l’axe longitudinal, les trois bacs comportant chacun un plateau mobile le long de l’axe longitudinal, chaque plateau étant destiné à recevoir une épaisseur de poudre dont les extrémités libres définissent trois lits de poudre alignés sur un second plan transversal, l’outillage comportant en outre un racleur mobile destiné à se déplacer sur un troisième plan transversal à la surface des bacs de manière à être au contact avec chacun des lits de poudre.
L’outillage se caractérise en ce qu’il comporte un premier et un deuxième boucliers mobiles destinés à se déplacer sur le même troisième plan transversal que le racloir mobile entre :
  • une position de fusion dans laquelle le premier bouclier est situé entre une extrémité transversale interne du premier bac et le centre du second bac et le deuxième bouclier est situé entre le centre du deuxième bac et une extrémité transversale interne du troisième bac,
  • une position de recharge dans laquelle les premier et deuxième boucliers sont situés à une extrémité transversale de l’ensemble des trois bacs.
Ainsi, on réduit les turbulences au bord de la zone d’impact et on limite les défauts métallurgiques. On obtient une fusion homogène sur l’ensemble de l’outillage.
L’outillage selon l’invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques et/ou étapes ci-dessous, considérées seules ou en combinaison les unes avec les autres :
- le premier bac est une réserve de poudre, le deuxième bac est une cuve de fusion laser et le troisième bac est un bac de surplus de poudre,
- en position de fusion, le racleur mobile se situe à une première extrémité transversale de l’ensemble des trois bac, et qu’en position de recharge, le racleur mobile se situe à une deuxième extrémité transversale de l’ensemble des trois bacs, la même que le premier et deuxième boucliers,
- pendant la phase de fusion, le faisceau laser est émis en direction du lit de poudre de la deuxième cuve de manière à créer une zone d’impact du faisceau laser sur ledit lit de poudre, le premier et deuxième boucliers étant situés, en position de fusion, transversalement de part et d’autre de la zone d’impact, aux abords directs de la zone d’impact,
- cours d’une phase de fusion donnée, la zone d’impact se déplace sur le lit de poudre du deuxième bac, et que les premier et deuxième boucliers se déplaçant de manière corrélée avec le déplacement de ladite zone d’impact,
- l’outillage comporte un système de projection de gaz inerte comportant au moins une grille de flux de gaz et en ce que les premier et deuxième boucliers comportent des parois mobiles présente une profondeur au moins égale à celle de la deuxième cuve et une hauteur selon l’axe au moins égale à celle de l’au moins une grille de flux de gaz.
L’invention a par ailleurs également pour objet un procédé de fabrication additive par fusion laser mis en œuvre au moyen de l’outillage décrit ci-dessus, caractérisé en ce qu’une pièce est fabriquée par une succession de phases de fusion et de phases de recharge :
  • au cours de chaque phase de fusion, la tête laser est activée et le faisceau laser impacte le lit de poudre de la deuxième cuve de manière à faire fondre la poudre de la zone d’impact ;
  • au cours de chaque phase de recharge, les plateaux des bacs se déplacent d’un cran le long de l’axe longitudinal en s’éloignant ou en se rapprochant de la tête laser, les premier et deuxième boucliers se déplacent de leur position de fusion à leur position de recharge, le racleur mobile se déplace de sa position de fusion vers sa position de recharge de manière à essuyer la poudre non fondue du lit de poudre de la deuxième cuve puis revient à sa position de fusion, et les premier et deuxième boucliers reviennent à leur position de fusion.
Le procédé peut comporter une phase de remplissage du premier bac précédant le cycle de succession de phases de fusion et de recharge, et une phase de retrait de la pièce succède au cycle de successions de fusion et de recharge.
Brève description des figures
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront au cours de la lecture de la description détaillée qui va suivre pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels :
La figure 1 est un schéma des différentes étapes de la fabrication additive par fusion laser d’une pièce quelconque,
La figure 2 est une vue schématique en coupe transversale d’une machine de fabrication additive par fusion laser,
La figure 3 est une vue schématique en coupe transversale d’un outillage de fabrication additive par fusion laser selon l’état de la technique,
La figure 4 est une vue schématique en coupe transversale de l’outillage selon l’invention en position de fusion,
La figure 5 est une vue schématique en coupe transversale de l’outillage selon l’invention en position de recharge.
Description détaillée de l'invention
Comme déjà décrit dans l’introduction et bien connu de l’état de la technique, un outillage 10 de fabrication additive par fusion laser fonctionne selon un axe longitudinal X, parallèle à l’axe du faisceau laser L utilisé. En effet, la pièce à fabriquer est réalisée, étape par étape selon cet axe X et l’outillage 10 comporte diverse parties mobiles se déplaçant le long de cet axe X ou dans divers plans perpendiculaires à celui-ci.
L’outillage 10 comporte classiquement, au sein d’une cuve étanche destinée à recevoir un gaz inerte comme de l’argon (Ar) ou du diazote (N2), trois bacs de poudre 12, 14, 16 alignés dans un plan sensiblement perpendiculaire à l’axe longitudinal X. Ils sont donc alignés selon un premier plan transversal. Chaque bac (12, 14, 16) présente une surface libre faisant face à une tête laser 18. Le premier bac 12 est un bac destiné à recevoir une réserve de poudre, le deuxième bac 14 est destiné à former cuve de fusion, et troisième bac 16 est destiné à recevoir un éventuel surplus de poudre.
Le gaz inerte est injectée dans la cuve étanche au moyen des grilles de flux de gaz du système de projection 22. Ces grilles présentent classiquement une forme rectangulaire avec une longueur perpendiculaire à l’axe X bien plus grande que la hauteur, parallèle à l’axe X.
Chaque bac (12, 14, 16) est donc destiné à recevoir une épaisseur de poudre dont la surface libre forme trois lits de poudre alignés sur un second plan transversal. Ce second plan transversal se situe, sur l’axe longitudinal X, entre la tête laser 18 et le premier plan transversal.
La cuve de fusion est la partie de l’outillage 10 dans lequel a lieu la fabrication de la pièce en tant que telle : c’est sur le lit de poudre de ce deuxième bac 14 que, le faisceau laser L, lorsque la tête laser 18 est activée, impacte la poudre et la faire fondre, de manière à créer, couche par couche, la pièce à fabriquer.
L’outillage 10 comporte en outre un racleur mobile 20 et un système de projection d’argon 22 comme illustré sur la figure 2.
Plus précisément, chaque bac 12, 14, 16 comporte quatre parois s’étendant le long de l’axe longitudinal X. Dans chaque bac 12, 14, 16, les quatre parois encerclent un plateau mobile 24, 26, 28 formant le fond de chaque bac. Chaque plateau mobile 24, 26, 28 est mobile le long de l’axe longitudinal X. Le delta de déplacement de chaque plateau 24, 26, 28 est égal ou supérieur à la hauteur de la pièce fabriquée. Chaque bac 12, 14, 16 présente, en face du fond, une extrémité libre, ouverte.
Le racleur mobile 20 est une plaque circulant le long d’un troisième plan transversal situé à la surface libre des trois bacs 12, 14, 16. Ce troisième plan transversal se situe, sur l’axe longitudinal X entre la tête laser 18 et le second plan, au contact direct des trois lits de poudre des trois bacs 12, 14, 16.
Pour fabriquer une pièce, de la poudre est placée dans le premier bac 12. Le racleur mobile 20, positionné à l’extrémité externe du premier bac 12, passe sur le premier bac 12 et étale ainsi une couche de poudre sur le plateau du deuxième bac 14, et, s’il reste de la poudre, une couche dans le troisième bac 16. On a ainsi les trois lits de poudre présentant une surface libre sensiblement perpendiculaire à l’axe longitudinal X. Chaque plateau 24, 26, 28 est ainsi destiné à recevoir une épaisseur de poudre dont la surface libre définit, pour chaque bac 12, 15, 16 son lit de poudre.
L’outillage 10 comporte en outre deux boucliers mobiles 30, 32. Ces boucliers 30, 32 présentent une structure de plaque et sont mis en action par le système électronique de commande de l’outillage 10. Selon un mode de réalisation possible, les deux boucliers mobiles 30, 32 sont liés mécaniquement au racleur 20 lui aussi mis en mouvement par le système électronique de commande de l’outillage 10. Cette plaque présente une profondeur identique à celle du bac 14 et une hauteur, selon l’axe X, au moins égale à celle des grilles de flux de gaz du système de projection 22. Ils circulent transversalement à la surface des trois bacs 12, 14, 16, dans le même plan transversal que le racleur mobile 20.
Lorsque la tête laser 18 est activée, un faisceau laser L est émis et impacte le lit de poudre du deuxième bac 14. Cette zone d’impact 34 forme une zone de fusion de la poudre.
Plus précisément, la zone fusion totale du laser L se confond avec la surface du bac 14. L’aire de fusion du cercle formé par la zone d’impact 34 est définie comme l’aire sur laquelle le flux de gaz est laminaire sans turbulences. La zone extérieure au cercle de la zone d’impact 34 est la zone où sont générées les nombreuses turbulences dont il est question de se protéger ici.
Parallèlement à cette émission laser, le système de projection d’argon (Ar) émet un flux laminaire d’argon (Ar) en direction de la zone d’impact 34. Ceci permet de protéger la fusion de manière :
  • à éliminer les particules de poudre des premier et troisième bacs 12, 14 qui pourraient se redéposer sur la partie du lit de poudre fraichement fusionnée, et
  • à plaquer la poudre du lit de poudre au moment de la fusion.
On appelle phase de fusion, la phase pendant laquelle la tête laser 18 est activée. On appelle phase de recharge, la phase pendant laquelle la tête laser 18 est éteinte et pendant laquelle le lit de poudre du deuxième bac 14 est renouvelé. Pendant la phase de fusion, les boucliers mobiles 30, 32 et le racleur mobile 20 sont dans une position de fusion et pendant la phase de recharge, les boucliers mobiles 30, 32 et le racleur mobile 20 sont dans une position de recharge.
La position de fusion des boucliers mobiles 30, 32 est une position dans laquelle le premier bouclier 30 est situé entre l’extrémité transversale interne du premier bac 12 et le centre du second bac 14 et le deuxième bouclier 32 est situé entre le centre du deuxième bac 14 et l’extrémité transversale interne du troisième bac 16. La position de recharge des boucliers 30, 32 est une position dans laquelle les deux boucliers 30, 32 sont situés à une extrémité transversale de l’ensemble des trois bacs 12, 13, 14. Dans le cas présent, ils sont situés à l’extrémité transversale du troisième bac 14.
Plus précisément, dans un mode de réalisation particulier, les deux boucliers 30, 32, peuvent, dans leur position de fusion, se trouver transversalement directement de part et d’autre de la zone d’impact 34.
La position de fusion du racleur mobile 20 est une position dans laquelle le racleur mobile 20 est situé à l’extrémité transversale du premier bac 12. La position de recharge du racleur mobile 20 est une position dans laquelle le racleur mobile 20 est avec les deux boucliers 30, 32, à l’extrémité externe du troisième bac 16.
Au cours de la phase de fusion, le rayon laser L se déplace dans un plan transversal. La zone d’impact 34 est donc mobile dans un plan transversal, sensiblement perpendiculaire à l’axe longitudinal X. Cet axe transversal se confond avec le second plan transversal dans lequel s’inscrivent les lits de poudre des trois bacs 12, 14, 16. La position de fusion des premier et deuxième boucliers 30, 32 peut être une position mobile ; en effet dans un mode de réalisation où les boucliers 30, 32 sont positionnés directement de part et d’autre de la zone d’impact 34, si celle-ci se déplace, les boucliers 30, 32 se déplacent avec elle.
Une telle configuration consiste ainsi à mettre en place des boucliers mobiles 30, 32 au plus proche de la zone d’impact 34.
Plus particulièrement, les boucliers 30, 32 sont installés d’une part transversalement du même côté du racleur 20, de manière à ce que celui-ci puisse se déplacer transversalement sans gêne stérique.
Les boucliers 30, 32 peuvent ainsi se déplacer pour être au plus proche de la zone de fusion sans gêner le déplacement du racleur 20.
Après chaque phase de fusion, la tête laser 18 est éteinte. Les plateaux 26, 28 sont éloignés longitudinalement d’un cran de la tête laser pendant que le plateau 24 est rapproché longitudinalement de la tête laser 18, et les boucliers 30, 32 et le racleur mobile 20 se positionnent en position de rechargement.
Le mouvement du racleur mobile 20 permet de reconstituer le lit de poudre du deuxième bac 14 en entraînant une couche de poudre du premier bac 12 vers le deuxième bac 14 et en entraînant le surplus vers le troisième bac 16.
A la fin de la phase de recharge, les deux boucliers 30, 32 et le racleur mobile 20 reviennent à leur position de fusion. La tête laser 18 est rallumée.
Ainsi, l’outillage 10 permet la fabrication d’une pièce par une succession de phases de fusion et de phases de recharge :
  • au cours de chaque phase de fusion, la tête laser 18 est activée et impacte le lit de poudre de manière à faire fondre la poudre de la zone d’impact 34 ;
  • au cours de chaque phase de recharge successivement :
    • les plateaux 24, 26, 28 des bacs 12, 14, 16 se déplacent d’un cran le long de l’axe longitudinal X en s’éloignant ou en se rapprochant de la tête laser 18,
    • les boucliers 30, 32 se déplacent de leur position de fusion à leur position de recharge (figure 5),
    • le racleur mobile 20 se déplace de sa position de fusion vers sa position de recharge de manière à essuyer la poudre non fondue du lit de poudre du deuxième bac 14 et revient à sa position de fusion (figure 4),
    • les premier et deuxième boucliers 30, 32 reviennent à leur position de fusion (figure 4).
L’ensemble de ces déplacements peut aussi se faire de manière simultanée : les boucliers 30, 32 et le racleur mobile 20 se déplacent ensemble et en même temps de leurs positions respectives de recharge (figure 5) à leurs positions respectives de fusion (figure 4).
Une phase de remplissage des bacs 12, 14, 16 précède le cycle de succession de phases de fusion et de recharge, et une phase de retrait de la pièce fabriquée succède au cycle de successions de fusion et de recharge.

Claims (8)

  1. Outillage (10) de fabrication additive par fusion laser, l’outillage (10) comportant une tête laser (18) destinée à émettre un faisceau laser (L) définissant un axe longitudinal (X), un premier, un deuxième et un troisième bacs (12, 14, 16) respectivement alignés sur un premier plan transversal sensiblement perpendiculaire à l’axe longitudinal (X), les trois bacs (12, 14, 16) comportant chacun un plateau mobile (24, 26, 28) le long de l’axe longitudinal (X), chaque plateau (24, 26, 28) étant destiné à recevoir une épaisseur de poudre dont les extrémités libres définissent trois lits de poudre alignés sur un second plan transversal, l’outillage (10) comportant en outre un racleur mobile (20) destiné à se déplacer sur un troisième plan transversal à la surface des bacs (12, 14, 16) de manière à être au contact avec chacun des lits de poudre,
    l’outillage (10) étant caractérisé en ce qu’il comporte un premier et un deuxième boucliers mobiles (30, 32) destinés à se déplacer sur le même troisième plan transversal que le racloir mobile (20) entre :
    • une position de fusion dans laquelle le premier bouclier (30) est situé entre une extrémité transversale interne du premier bac (12) et le centre du second bac (14) et le deuxième bouclier (32) est situé entre le centre du deuxième bac (14) et une extrémité transversale interne du troisième bac (16), et
    • une position de recharge dans laquelle les premier et deuxième boucliers (30, 32) sont situés à une extrémité transversale de l’ensemble des trois bacs (12, 14, 16).
  2. Outillage (10) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le premier bac (12) est une réserve de poudre, le deuxième bac (14) est une cuve de fusion laser et le troisième bac (16) est un bac de surplus de poudre.
  3. Outillage (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’en position de fusion, le racleur mobile (20) se situe à une première extrémité transversale de l’ensemble des trois bacs (12, 14, 16), et qu’en position de recharge, le racleur mobile (20) se situe à une deuxième extrémité transversale de l’ensemble des trois bacs (12, 14, 16), la même que le premier et deuxième boucliers (30, 32).
  4. Outillage (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, pendant la phase de fusion, le faisceau laser (L) est émis en direction du lit de poudre de la deuxième cuve (14) de manière à créer une zone d’impact (34) du faisceau laser (L) sur ledit lit de poudre, le premier et deuxième boucliers (30, 32) étant situés, en position de fusion, transversalement de part et d’autre de la zone d’impact (34), aux abords directs de la zone d’impact (34).
  5. Outillage (10) selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu’au cours d’une phase de fusion donnée, la zone d’impact (34) se déplace sur le lit de poudre du deuxième bac (14), et que les premier et deuxième boucliers (30, 32) se déplaçant de manière corrélée avec le déplacement de ladite zone d’impact (34).
  6. Outillage (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’outillage (10) comporte un système de projection de gaz inerte (22) comportant au moins une grille de flux de gaz, et en ce que les premier et deuxième boucliers (30, 32) comportent des parois mobiles présente une profondeur au moins égale à celle de la deuxième cuve (14) et une hauteur selon l’axe (X) au moins égale à celle de l’au moins une grille de flux de gaz.
  7. Procédé de fabrication additive par fusion laser mis en œuvre au moyen de l’outillage (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’une pièce est fabriquée par une succession de phases de fusion et de phases de recharge :
    • au cours de chaque phase de fusion, la tête laser (18) est activée et le faisceau laser (L) impacte le lit de poudre de la deuxième cuve (14) de manière à faire fondre la poudre de la zone d’impact (34) ;
    • au cours de chaque phase de recharge, les plateaux (24, 26, 28) des bacs (12, 14, 16) se déplacent d’un cran le long de l’axe longitudinal (X) en s’éloignant ou en se rapprochant de la tête laser (18), les premier et deuxième boucliers (30, 32) se déplacent de leur position de fusion à leur position de recharge, le racleur mobile (20) se déplace de sa position de fusion vers sa position de recharge de manière à essuyer la poudre non fondue du lit de poudre de la deuxième cuve (14) puis revient à sa position de fusion, et les premier et deuxième boucliers (30, 32) reviennent à leur position de fusion.
  8. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel une phase de remplissage du premier bac (12) précède le cycle de succession de phases de fusion et de recharge, et une phase de retrait de la pièce succède au cycle de successions de fusion et de recharge.
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