FR3101559A1 - METAL LASER DEPOSIT SYSTEM - Google Patents
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Abstract
Système (201) de dépôt laser de métal, comprenant une tête laser (204) et une buse tubulaire (203), la tête laser comportant un axe A et étant mobile dans un plan sensiblement perpendiculaire à cet axe, la buse comportant un même axe A et étant portée par la tête, ledit système comportant en outre un dispositif d’apport (202) adapté pour apporter un fil métallique (207) le long dudit axe A, jusqu’à travers la buse, la tête laser étant adaptée pour générer la fusion du métal en sortie de la buse, caractérisée en ce que la buse est apte à se déplacer en translation le long dudit axe A vis-à-vis de la tête laser, la buse étant reliée à la tête par au moins un organe (209) élastiquement déformable conférant cette aptitude. Figure pour l'abrégé : Figure 6System (201) for laser deposition of metal, comprising a laser head (204) and a tubular nozzle (203), the laser head comprising an axis A and being movable in a plane substantially perpendicular to this axis, the nozzle comprising the same axis A and being carried by the head, said system further comprising a delivery device (202) adapted to supply a metal wire (207) along said axis A, up to through the nozzle, the laser head being adapted to generate the melting of the metal at the outlet of the nozzle, characterized in that the nozzle is able to move in translation along said axis A with respect to the laser head, the nozzle being connected to the head by at least one member (209) elastically deformable conferring this ability. Figure for abstract: Figure 6
Description
Domaine technique de l'inventionTechnical field of the invention
L’invention est relative au domaine de la fabrication additive de pièces métalliques notamment pour des aéronefs. En particulier, l’invention se rapporte à un système de dépôt laser de métal. L’invention concerne également un procédé de fabrication additive mettant en œuvre le système de dépôt laser de métal.The invention relates to the field of additive manufacturing of metal parts, in particular for aircraft. In particular, the invention relates to a metal laser deposition system. The invention also relates to an additive manufacturing method implementing the metal laser deposition system.
Arrière-plan techniqueTechnical background
Le dépôt direct de métal, également appelé DMD (pour « Direct Metal Deposition » en langue anglaise), est une technique de fabrication additive qui permet de réaliser des pièces complexes en déposant et en empilant des couches successives d’un matériau déterminé. Parmi les nombreuses variantes de cette technique figure la technique dite de dépôt laser de métal ou encore LMD (pour « Laser Metal Deposition » en langue anglaise). Pour réaliser un dépôt, cette technique implique d’alimenter régulièrement un bain liquide de métal en fusion, situé à la surface d’un substrat, sur lequel a lieu le dépôt. En particulier, du métal est apporté jusqu’au bain liquide sous la forme, soit d’une poudre (on parle alors de LMD-poudre), soit d’un fil (ou parle alors de LMD-fil), avant d’être mis en fusion par un faisceau laser focalisé.Direct metal deposition, also known as DMD (for " Direct Metal Deposition "), is an additive manufacturing technique that makes it possible to produce complex parts by depositing and stacking successive layers of a specific material. Among the many variants of this technique is the technique known as laser metal deposition or LMD (for " Laser Metal Deposition " in English). To make a deposition, this technique involves regularly feeding a liquid bath of molten metal, located on the surface of a substrate, on which the deposition takes place. In particular, metal is brought to the liquid bath in the form either of a powder (we then speak of LMD-powder), or of a wire (or then we speak of LMD-wire), before being fused by a focused laser beam.
Dans la version LMD-fil, chaque système de dépôt laser métallique comprend un dispositif dédié à l’apport de fil métallique qui entraîne le fil jusqu’à une buse. Le rôle de cette buse est ensuite de guider le fil jusqu’à la zone du dépôt (i.e. jusqu’au bain liquide) où le fil est mis en fusion grâce à une tête laser.In the LMD-fil version, each metal laser deposition system includes a device dedicated to the supply of metal wire which drives the wire to a nozzle. The role of this nozzle is then to guide the wire to the deposit area (i.e. to the liquid bath) where the wire is melted using a laser head.
Un exemple de système de dépôt laser de métal par fil est décrit en référence aux figures 1 à 3.An example of a metal-by-wire laser deposition system is described with reference to Figures 1 to 3.
Le système de dépôt laser de métal 101 comprend un dispositif d’apport 102 adapté pour apporter du fil métallique 107 jusqu’à une buse 103. Plus précisément, le fil métallique 107 est apporté par le dispositif d’apport 102 jusqu’à un orifice d’entrée de la buse 103. Le fil métallique 107 circule ensuite dans un conduit interne à la buse 103.The metal laser deposition system 101 includes a delivery device 102 adapted to deliver metal wire 107 to a nozzle 103. More specifically, the metal wire 107 is delivered by the delivery device 102 to an orifice inlet of the nozzle 103. The metal wire 107 then circulates in a conduit internal to the nozzle 103.
Lorsque le fil métallique 107 sort de la buse 103 au niveau de l’orifice de sortie 111, il est mis en fusion par un faisceau laser focalisé 105 qui produit, à son point focal, une énergie suffisamment élevée pour faire fondre le métal. Dans l’exemple représenté, le faisceau laser 105 est mis en forme par une tête laser 104 (ensemble d’optiques permettant la mise en forme du faisceau laser) et est du type à tâche focale de forme circulaire.As wire 107 exits nozzle 103 at exit port 111, it is melted by a focused laser beam 105 which produces, at its focal point, energy high enough to melt the metal. In the example represented, the laser beam 105 is shaped by a laser head 104 (set of optics allowing the shaping of the laser beam) and is of the type with a focal spot of circular shape.
Le métal en fusion est déposé à la surface du substrat 106. Dans l’exemple représenté à la figure 1, le dépôt prend la forme d’un cordon 108 dont la forme découle du sens de déplacement du système de dépôt laser 101 symbolisé par la flèche 112. Ainsi, à mesure que le système 101 se déplace au dessus du substrat 106, le métal en fusion déposé sur le substrat se solidifie à nouveau en refroidissant et formant le cordon 108.The molten metal is deposited on the surface of the substrate 106. In the example represented in FIG. 1, the deposit takes the form of a bead 108 whose shape results from the direction of movement of the laser deposition system 101 symbolized by the arrow 112. Thus, as the system 101 moves above the substrate 106, the molten metal deposited on the substrate solidifies again by cooling and forming the bead 108.
Il existe deux technologies de système de dépôt laser de métal. La première technologie représentée dans les dessins consiste à disposer la buse 103 et la tête 104 de manière coaxiale. Elles ont donc un même axe A, qui est l’axe le long duquel le fil 107 est apporté jusqu’à la buse 103. Dans cette première technologie, l’apport de fil est donc un apport de fil coaxial.There are two laser metal deposition system technologies. The first technology shown in the drawings consists in arranging the nozzle 103 and the head 104 coaxially. They therefore have the same axis A, which is the axis along which the wire 107 is brought to the nozzle 103. In this first technology, the wire feed is therefore a coaxial wire feed.
Il existe une autre technologie, non représentée, où la buse est déportée par rapport à la tête et se retrouve sur un côté de cette dernière. Dans cette autre technologie, l’apport de fil est donc un apport de fil latéral.There is another technology, not shown, where the nozzle is offset relative to the head and is found on one side of the latter. In this other technology, the yarn supply is therefore a side yarn supply.
La première technologie présente l’avantage non négligeable de ne pas dépendre de la position de la buse pour les stratégies de dépôt. En revanche, elle ne présente pas l’avantage de l’apport latéral qui permet, en fonction de la hauteur de la buse, de re-focaliser le laser.The first technology has the significant advantage of not depending on the position of the nozzle for the deposition strategies. On the other hand, it does not have the advantage of the lateral contribution which allows, depending on the height of the nozzle, to re-focus the laser.
La seconde technologie a toutefois un inconvénient majeur. Lorsque la tête avance dans le sens opposé à celui du dévidage du fil, un phénomène de séparation du bain liquide survient. Cela provoque donc un dédoublement de cordon, ce qui n’est pas acceptable. Avec ce genre de tête, nous avons donc un impact du sens de dépose sur la qualité du cordon déposé.The second technology, however, has a major drawback. When the head advances in the direction opposite to that of the unwinding of the wire, a phenomenon of separation of the liquid pool occurs. This therefore causes a split cord, which is not acceptable. With this type of head, we therefore have an impact of the direction of deposit on the quality of the bead deposited.
Cet inconvénient disparaît avec l’utilisation de la première technologie. Toutefois, avec les solutions existantes de cette première technologie, si le substrat qui reçoit le cordon présente un relief accidenté avec des irrégularités de surface, le système n’est pas prévu pour compenser la variation en hauteur du substrat, ce qui risque de gêner la formation du cordon et affecter sa qualité (figure 3).This disadvantage disappears with the use of the first technology. However, with the existing solutions of this first technology, if the substrate which receives the bead has an uneven relief with surface irregularities, the system is not designed to compensate for the variation in height of the substrate, which risks hindering the cord formation and affect its quality (Figure 3).
La présente invention propose une solution à au moins une partie de ces problèmes, cette solution utilisant la technologie précitée à fil coaxial.The present invention proposes a solution to at least some of these problems, this solution using the aforementioned coaxial wire technology.
La présente invention propose un système de dépôt laser de métal un système de dépôt laser de métal, comprenant une tête laser et une buse tubulaire, la tête laser comportant un axe A et étant mobile dans un plan sensiblement perpendiculaire à cet axe, la buse comportant un même axe A et étant portée par la tête, ledit système comportant en outre un dispositif d’apport adapté pour apporter un fil métallique le long dudit axe A, jusqu’à travers la buse, la tête laser étant adaptée pour générer la fusion du métal en sortie de la buse, caractérisée en ce que la buse est apte à se déplacer en translation le long dudit axe A vis-à-vis de la tête laser, la buse étant reliée à la tête par au moins un organe élastiquement déformable conférant cette aptitude.The present invention proposes a metal laser deposition system a metal laser deposition system, comprising a laser head and a tubular nozzle, the laser head comprising an axis A and being movable in a plane substantially perpendicular to this axis, the nozzle comprising same axis A and being carried by the head, said system further comprising a supply device suitable for supplying a metal wire along said axis A, as far as through the nozzle, the laser head being suitable for generating the fusion of the metal leaving the nozzle, characterized in that the nozzle is able to move in translation along the said axis A with respect to the laser head, the nozzle being connected to the head by at least one elastically deformable member conferring this ability.
La buse est donc mobile en translation le long de l’axe de la tête. Lors de l’utilisation du système, la buse peut se déplacer vers le substrat ou s’éloigner du substrat, en fonction du relief de ce substrat. Le système permet donc de s’adapter automatiquement au relief et aux irrégularités de surface du substrat. Par ailleurs, la tête pourrait être configurée pour refocaliser le faisceau laser, quelle que soit la distance entre la buse et le substrat, pour garder une même densité énergétique au même point du fil en utilisation.The nozzle is therefore mobile in translation along the axis of the head. When using the system, the nozzle can move towards the substrate or away from the substrate, depending on the relief of this substrate. The system therefore makes it possible to automatically adapt to the relief and surface irregularities of the substrate. Furthermore, the head could be configured to refocus the laser beam, whatever the distance between the nozzle and the substrate, to keep the same energy density at the same point of the wire in use.
Le système de dépôt laser selon l’invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres :The laser deposition system according to the invention may comprise one or more of the following characteristics, taken separately from each other or in combination with each other:
- l’organe est configuré pour fonctionner en compression ;- the organ is configured to operate in compression;
- l’organe est configuré pour fonctionner en traction ;- the component is configured to operate in traction;
- l’organe est un ressort hélicoïdal ;- the component is a coil spring;
- le ressort s’étend autour dudit axe A ;- the spring extends around said axis A;
- le ressort est précontraint axialement ;- the spring is axially preloaded;
- la précontrainte du ressort est comprise entre 3 et 10N ;- the spring preload is between 3 and 10N;
- l’organe et la buse sont montés dans des logements coaxiaux de la tête ;- the organ and the nozzle are mounted in coaxial housings of the head;
- la tête est configurée pour générer un faisceau laser de forme annulaire.- the head is configured to generate a ring-shaped laser beam.
L’invention concerne également, selon un second aspect, un procédé de fabrication additive par dépôt laser de métal au moyen d’un système de dépôt laser de métal tel que décrit ci-dessus, les déplacements de la buse par rapport à la tête étant automatiques en fonction du relief dudit substrat.The invention also relates, according to a second aspect, to a method of additive manufacturing by metal laser deposition by means of a metal laser deposition system as described above, the displacements of the nozzle relative to the head being automatic depending on the relief of said substrate.
Brève description des figuresBrief description of figures
La présente invention sera mieux comprise et d’autres détails, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description d’un exemple non limitatif qui suit, en référence aux dessins annexés sur lesquels :The present invention will be better understood and other details, characteristics and advantages of the present invention will appear more clearly on reading the description of a non-limiting example which follows, with reference to the accompanying drawings in which:
Les éléments ayant les mêmes fonctions dans les différents modes de réalisation ont les mêmes références dans les figures.The elements having the same functions in the different embodiments have the same references in the figures.
Description détaillée de l'inventionDetailed description of the invention
En référence aux figures 4 à 6, nous allons maintenant décrire un mode de réalisation d’un système 201 de dépôt laser de métal selon l’invention.With reference to FIGS. 4 to 6, we will now describe an embodiment of a metal laser deposition system 201 according to the invention.
Le système 201 comprend une tête laser 204 et une buse tubulaire 203.System 201 includes a laser head 204 and a tubular nozzle 203.
La tête laser 204 comporte un axe A et est mobile dans un plan sensiblement perpendiculaire à cet axe A et qui est en général parallèle au plan d’un substrat 206. La tête laser 204 est adaptée pour générer la fusion du métal en sortie de la buse 203 pour déposer du métal fondu et générer un cordon de métal sur le substrat 206.The laser head 204 has an axis A and is movable in a plane substantially perpendicular to this axis A and which is generally parallel to the plane of a substrate 206. The laser head 204 is adapted to generate the melting of the metal at the outlet of the nozzle 203 to deposit molten metal and generate a bead of metal on the substrate 206.
La buse 203 comporte un même axe A et est portée par la tête 204.The nozzle 203 has the same axis A and is carried by the head 204.
Le système 201 comporte en outre un dispositif d’apport 202 adapté pour apporter un fil métallique 207 le long de l’axe A, jusqu’à travers la buse 203.The system 201 further comprises a delivery device 202 adapted to bring a metal wire 207 along the axis A, up through the nozzle 203.
Selon l’invention, la buse 203 est apte à se déplacer en translation le long de l’axe A vis-à-vis de la tête laser 204. Pour cela, la buse 203 est reliée à la tête 204 par au moins un organe 209 élastiquement déformable conférant cette aptitude.According to the invention, the nozzle 203 is able to move in translation along the axis A with respect to the laser head 204. For this, the nozzle 203 is connected to the head 204 by at least one member 209 elastically deformable conferring this ability.
L’organe 209 est configuré pour fonctionner en compression, en traction, ou à la fois en compression et en traction.The member 209 is configured to operate in compression, in tension, or both in compression and in tension.
Dans l’exemple représenté et de manière préférée, l’organe 209 est un ressort hélicoïdal. Ce ressort s’étend autour de l’axe A et est précontraint axialement.In the example shown and preferably, the member 209 is a coil spring. This spring extends around axis A and is axially preloaded.
L’organe 209 et la buse 203 peuvent être montés dans des logements 210 coaxiaux de la tête 204.The member 209 and the nozzle 203 can be mounted in coaxial housings 210 of the head 204.
Avantageusement, la tête 204 est configurée pour générer un faisceau laser 205 de forme annulaire et non pas circulaire, comme dans la technique antérieure. La tête 204 est de préférence configurée pour refocaliser le faisceau laser 205, quelle que soit la distance entre la buse 203 et le substrat 206.Advantageously, the head 204 is configured to generate a laser beam 205 of annular shape and not circular, as in the prior art. Head 204 is preferably configured to refocus laser beam 205, regardless of the distance between nozzle 203 and substrate 206.
L’homme du métier est à même de choisir les paramètres optimaux de réglage du système 201 afin de réaliser un dépôt laser de métal.A person skilled in the art is able to choose the optimal parameters for adjusting the system 201 in order to carry out a laser deposition of metal.
Lors de l’utilisation du système décrit dans ce qui précède, les déplacements de la buse 203 par rapport à la tête 204 sont automatiques en fonction du relief du substrat 206, comme cela est représenté dans les dessins.When using the system described above, the movements of the nozzle 203 relative to the head 204 are automatic depending on the relief of the substrate 206, as shown in the drawings.
Ainsi, lorsque le système 201 est déplacé dans le sens de la flèche F1 de la figure 6, la buse 203 va se déplacer le long de l’axe A, en s’éloignant de la tête 204 et donc en passant de la configuration de la figure 4 à la configuration de la figure 5. Une détente automatique de l’organe 209 ou du ressort intervient. Cela est dû à la présence d’une marche 211, qui en phase descendante, provoque une augmentation de la distance entre la buse 203 et le substrat 206.Thus, when the system 201 is moved in the direction of the arrow F1 of FIG. 6, the nozzle 203 will move along the axis A, moving away from the head 204 and therefore passing from the configuration of FIG. 4 to the configuration of FIG. 5. An automatic expansion of the member 209 or of the spring intervenes. This is due to the presence of a step 211, which in the downward phase, causes an increase in the distance between the nozzle 203 and the substrate 206.
Dans le cas contraire où le système 201 serait déplacé dans le sens opposé à la flèche F1, la buse 203 se déplacerait le long de l’axe A, en se rapprochant davantage de la tête 204 et donc en passant de la configuration de la figure 5 à la configuration de la figure 4. Une compression automatique du ressort interviendrait. Cela serait dû à la présence de la marche 211, qui en phase montante, provoquerait une diminution de la distance entre la buse 203 et le substrat 206.In the contrary case where the system 201 would be moved in the direction opposite to the arrow F1, the nozzle 203 would move along the axis A, getting closer to the head 204 and therefore passing from the configuration of the figure 5 to the configuration of Figure 4. An automatic compression of the spring would occur. This would be due to the presence of the step 211, which in the rising phase, would cause a reduction in the distance between the nozzle 203 and the substrate 206.
La précontrainte axiale du ressort, par exemple comprise entre 3 et 10N, permet d’anticiper les éventuelles variations de hauteur du substrat 206. Ainsi, si le substrat 206 se retrouve plus bas, le ressort permet de maintenir le contact du fil 207 avec celui-ci. A l’inverse, si le substrat 206 se retrouve plus haut, le ressort va se comprimer afin de conserver la même distance entre la buse 203 et le substrat 206.The axial preload of the spring, for example between 3 and 10N, makes it possible to anticipate any variations in height of the substrate 206. Thus, if the substrate 206 is found lower, the spring makes it possible to maintain the contact of the wire 207 with that -this. Conversely, if the substrate 206 is higher, the spring will compress in order to maintain the same distance between the nozzle 203 and the substrate 206.
L’un des avantages majeurs de cette technologie est la simplification importante des trajectoires du système de dépôt 201. Par exemple, si un bossage doit être réalisé sur une surface non plane (sur une pièce cylindrique), les trajectoires pour ce bossage pourront être paramétrées dans un seul plan. La tolérance le long de l’axe A, apportée par l’invention, permettra de s’adapter automatiquement à la surface du substrat 206.One of the major advantages of this technology is the significant simplification of the trajectories of the deposition system 201. For example, if a boss must be made on a non-planar surface (on a cylindrical part), the trajectories for this boss can be parameterized in a single plane. The tolerance along the axis A, provided by the invention, will make it possible to automatically adapt to the surface of the substrate 206.
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