FR3102078A1 - Installation et procede de fabrication additive sur lit de poudre de piece a etat de surface ameliore - Google Patents

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INSTALLATION ET PROCEDE DE FABRICATION ADDITIVE SUR LIT DE POUDRE DE PIECE A ETAT DE SURFACE AMELIORE. L’invention concerne une installation (1) de fabrication additive sur lit de poudre d’une pièce, en particulier de turbomachine, l’installation comprenant : un premier réservoir (2) dans lequel est stocké un volume de particules de poudre du matériau destiné à réaliser la pièce,un support de fabrication (6) sur lequel est transférée une couche de poudre du premier réservoir, etun élément de génération d’énergie (14) en direction de la couche de poudre sur le support de fabrication (6) de manière à obtenir une fusion de la couche de poudre. Selon l’invention, l’installation (1) comprend un élément d’agitation (20) des particules de poudre de la couche de poudre sur le support de fabrication de manière à compacter celle-ci avant la fusion de la couche de poudre. Figure pour l’abrégé : Figure 2

Description

INSTALLATION ET PROCEDE DE FABRICATION ADDITIVE SUR LIT DE POUDRE DE PIECE A ETAT DE SURFACE AMELIORE
Domaine de l’invention
La présente invention est relative au domaine de la fabrication additive de pièce, notamment dans l’aéronautique. Elle vise en particulier, la fabrication additive sur lit de poudre.
Arrière-plan technique
La technologie par fabrication additive permet de réaliser des pièces complexes, notamment sans usinage, en déposant et en empilant des couches successives d’un matériau destiné à la fabrication de la pièce et à les consolider partiellement ou totalement. Cette technique progresse depuis plusieurs années et de manière importante. La fabrication additive comprend de manière non exhaustive, la fusion sélective par laser sur lit de poudre (SLM), la fusion par faisceau d’électron sur lit de poudre (EBM) et la fusion directe de métal (LMD).
Les pièces obtenues avec la fabrication additive par fusion sur lit de poudre sont réalisées généralement sur un support de fabrication sur lequel sont déposées successivement les couches de poudre à fusionner. Ces pièces présentent une rugosité excessive rendant inopérant les contrôles non destructifs, tels que le ressuage, exigés à la définition des pièces dans le domaine aéronautique. En effet, les poudres de granulométrie inférieure à 10 micromètres (µm) ne sont pas typiquement utilisées dans le domaine de la fabrication additive pour des raisons de sécurité, de santé, et d’environnement (SSE). De manière générale, un reconditionnement type polissage ou un usinage (ajustage) est nécessaire pour améliorer l’état de surface de ces types de pièce. Par ailleurs, les pièces peuvent présenter un taux de microporosités internes non conforme qui résulte d’un compactage des particules de la poudre insuffisant avant sa fusion.
L’objectif de la présente invention est de fournir une solution permettant d’améliorer les caractéristiques mécaniques de la pièce issue d’une fabrication additive sur lit de poudre, et de surcroît d’améliorer son état de surface.
Nous parvenons à cet objectif conformément à l’invention grâce à une installation de fabrication additive sur lit de poudre d’une pièce, en particulier de turbomachine, l’installation comprenant :
- un premier réservoir dans lequel est stocké un volume de particules de poudre du matériau destiné à réaliser la pièce,
- un support de fabrication sur lequel est transférée une couche de poudre du premier réservoir,
- un élément de génération d’énergie en direction de la couche de poudre sur le support de fabrication de manière à obtenir une fusion de la couche de poudre, et
- un élément d’agitation des particules de poudre de la couche de poudre sur le support de fabrication de manière à compacter celle-ci avant la fusion de la couche de poudre.
Ainsi, cette solution permet d’atteindre l’objectif susmentionné. En particulier, l’agitation des particules de poudre de la couche de poudre permet de réagencer les particules de poudre entre elles pour que tous les espaces entre les particules soient occupés. De la sorte, la poudre est davantage compactée ce qui d’une part, réduit le taux de porosité dans la pièce solidifiée et améliore les caractéristiques mécaniques de la pièce, et d’autre part améliore l’état de surface de la pièce.
L’installation comprend également l’une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises seules ou en combinaison :
- l’élément d’agitation génère des ultrasons.
- l’élément d’agitation comprend une ou plusieurs sonotrodes.
- la poudre comprend un mélange de particules de poudre de granulométries différentes.
- l’installation comprend un élément de balayage destiné à transférer une couche de poudre du premier réservoir sur le support de fabrication, l’élément de balayage se déplaçant dans un plan contenant un axe longitudinal X.
- l’élément d’agitation est monté en amont de l’élément de balayage et/ ou sur le support de fabrication suivant l’axe longitudinal X (et en particulier du premier réservoir d’alimentation au support de fabrication (deuxième réservoir).
- l’élément d’agitation se déplace à la surface libre de la couche de poudre.
- la fabrication additive est de type fusion sélective par laser sur lit de poudre.
- l’installation comprend un deuxième réservoir disposé en aval du premier réservoir suivant l’axe longitudinal et dans lequel se déplace le support de fabrication suivant un axe vertical perpendiculaire à l’axe longitudinal.
- l’installation comprend un troisième réservoir agencé en aval du deuxième réservoir destiné à recueillir un surplus de poudre.
L’invention concerne en outre un procédé de fabrication additive sur lit de poudre d’une pièce, en particulier de turbomachine, le procédé comprenant les étapes suivantes :
  • fourniture a) d’un matériau sous forme de particules de poudre pour la fabrication de la pièce,
  • transfert b) d’une couche de poudre sur un support de fabrication,
  • balayage d) d’une énergie sur la couche de poudre de manière à provoquer la fusion de la couche de poudre sur le support de fabrication, et
  • agitation c) des particules de poudre de la couche de poudre de manière à compacter la couche de poudre avant la fusion de celle-ci.
Le procédé comprend l’une quelconque des caractéristiques et/ou étapes suivantes prises seules ou en combinaison :
- des ultrasons parcourent les particules de poudre de manière à les faire vibrer les unes par rapport aux autres.
- les étapes b), c) et d) sont répétées pour chaque nouvelle couche de matériau de manière à réaliser la pièce.
- la poudre comprend un mélange de particules de poudre de granulométries différentes.
Brève description des figures
L’invention sera mieux comprise, et d’autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description explicative détaillée qui va suivre, de modes de réalisation de l’invention donnés à titre d’exemples purement illustratifs et non limitatifs, en référence aux dessins schématiques annexés dans lesquels :
La figure 1 est une vue schématique et en coupe axiale d’une installation de fabrication additive à laquelle s’applique l’invention ;
La figure 2 représente suivant une vue schématique en perspective un autre exemple d’installation de fabrication additive équipée de moyens d’agitation des particules de poudre selon l’invention ;
La figure 3 représente schématiquement l’agencement des particules de poudre entre elles avant agitation selon l’invention ; et
La figure 4 représente schématiquement l’agencement des particules de poudre entre elles après agitation selon l’invention.
Description détaillée de l’invention
La figure 1 représente une installation de fabrication additive de pièce, en particulier de turbomachine. Bien entendu, l’invention n’est pas limitée aux pièces de turbomachine.
L’installation représentée est une installation de fusion laser sur lit de poudre connue sous l’acronyme anglais SLM pour « Selective Laser Melting ». L’installation 1 comprend un premier réservoir 2 dit réservoir d’alimentation, un deuxième réservoir 3 dit réservoir de fusion et un troisième réservoir 4 dit réservoir de recyclage. Ces trois réservoirs contiennent de la poudre et sont disposés successivement suivant un axe longitudinal X.
Chaque réservoir 2, 3, 4 comprend un plateau (dénommé ci-après premier plateau 5, deuxième plateau 6 et troisième plateau 7) qui sont mobiles chacun dans leur réservoir respectif suivant un axe ici vertical Z. Dans le présent exemple de réalisation, l’axe vertical est perpendiculaire à l’axe longitudinal. Chaque réservoir 2, 3, 4 comprend respectivement une paroi périphérique 8, 9, 10 à l’intérieur de laquelle se déplace un plateau. En particulier, chaque plateau constitue le fond mobile d’un réservoir. Chaque réservoir comprend une ouverture agencée en regard du plateau correspondant. Les plateaux se déplacent respectivement suivant une translation.
Le réservoir d’alimentation 2 permet de stocker un volume de particules de poudre avant que plusieurs couches ou épaisseurs de celui-ci ne soit transférées vers le réservoir de fusion 3 qui est agencé en aval du réservoir d’alimentation 2. Dans la présente description, les termes « amont » et « aval » sont définis par rapport à l’axe longitudinal X.
Pour cela, l’installation 1 comprend un élément de balayage 11 de poudre permettant de transférer une couche de la poudre du réservoir d’alimentation 2 sur le deuxième plateau 6 qui forme un support de fabrication de la pièce à réaliser. L’élément de balayage 11 se déplace dans un plan P contenant l’axe longitudinal X. Au moins une bordure périphérique libre 12 délimitant l’ouverture des réservoirs d’alimentation et de fusion est définie dans le plan P.
L’élément de balayage 11 se déplace entre une première position qui se trouve en amont de la bordure périphérique libre 12 du réservoir d’alimentation 2 et une deuxième position qui se trouve en aval de la bordure périphérique libre du réservoir de recyclage 4. L’élément de balayage 11 comprend un rouleau 13 d’axe C parallèle à un axe transversal Y. L’élément de balayage 11 comprend alternativement une plaque (non représentée) s’étendant suivant l’axe transversal. L’axe transversal Y est perpendiculaire aux axes longitudinal X et vertical Z. A chaque passage de l’élément de balayage 11, la couche de poudre étalée sur le support de fabrication (deuxième plateau 6) est compactée et permet de définir une surface libre de la couche de poudre qui est bien plane.
Le premier plateau 5 du réservoir d’alimentation 2 se déplace en translation verticale et vers le haut, suivant l’axe vertical Z, au fur et à mesure du transfert ou transvasement de la poudre sur le support de fabrication (deuxième plateau 6).
L’installation 1 comprend un élément de génération d’énergie 14 permettant de fondre la poudre destinée à réaliser la pièce. Ce moyen de génération d’énergie 14 comprend un faisceau laser 15. Ce dernier interagit avec des moyens 16 permettant d’orienter le faisceau laser 15, et en particulier en direction du support de fabrication. Les moyens permettant d’orienter le faisceau laser comprennent un miroir ou deux miroirs suivant la configuration de l’installation. Le ou les miroirs peu(ven)t être mobile(s).
Le faisceau laser peut être alternativement un faisceau d’électron.
Le procédé consiste à fabriquer la pièce en superposant les couches ou épaisseurs de poudre issues du réservoir d’alimentation 2 et transférées sur support de fabrication. Ces couches de poudre sont ensuite fondues les unes après les autres au moyen du faisceau laser 15 se déplaçant sur la surface de chaque couche. Le support de fabrication se déplace en translation et vers le bas au fur et à mesure de la fabrication de la pièce.
Le réservoir de recyclage 4, agencé en aval du réservoir de fusion 3, permet de recueillir éventuellement un surplus de poudre non utilisée ou non fusionnée et qui sera recyclée. Le surplus de poudre est transféré dans le réservoir de recyclage par l’élément de balayage 11.
De manière avantageuse, mais non limitativement, la poudre comprend un mélange de particules de poudre de granulométries différentes. La granulométrie des particules est comprise entre 10 µm et 100 µm. Préférentiellement, la granulométrie est comprise entre 20 µm et 90 µm.
Le matériau des particules de poudre présente une composition chimique unique. Le matériau ici est métallique ou comprend un alliage métallique. Le métal ou l’alliage métallique appartient au groupe comprenant le fer, le titane, le cobalt, le cuivre, le magnésium, l’argent, le nickel. Le matériau des particules de poudre peut alternativement être minéral tel que des céramiques.
En référence à la figure 2, l’installation 1 comprend en outre un élément d’agitation 20 de la poudre de manière à optimiser le compactage de celle-ci avant sa fusion. De manière avantageuse, mais non limitativement, l’élément d’agitation 20 est monté en amont de l’élément de balayage 11 (suivant l’axe longitudinal X et suivant le sens allant du premier réservoir au deuxième réservoir) pour que le compactage de la couche de poudre sur le support de fabrication soit optimisé. Avantageusement, l’élément d’agitation 20 génère des ultrasons qui parcourent la couche de poudre se trouvant sur le support de fabrication. Les ultrasons permettent de réorganiser ou réagencer les particules de poudre entre elles, ce qui optimise le compactage de la couche. L’élément d’agitation 20 comprend ici une ou plusieurs sonotrodes 21.
L’élément d’agitation 20 est monté sur des rails 22 qui s’étendent suivant l’axe longitudinal X. La ou les sonotrodes 21 s’étendent entre les deux rails 22 ou sont régulièrement réparties entre les deux rails 22. L’élément d’agitation 20 se déplace suivant une translation et à l’arrière de l’élément de balayage. Comme l’élément de balayage tasse la couche de poudre sur le support de fabrication lors de son passage, l’élément d’agitation 20 en passant après lui et au-dessus de la surface libre de la couche de poudre, optimise ce tassage et compacte davantage les particules de poudre juste avant la fusion. De la sorte, la poudre et notamment les particules de granulométries différentes de la couche de poudre qui se trouve sur le support de fabrication sont agitées puisque les ultrasons provoquent leurs vibrations. Les espaces entre les particules sont réduits ce qui permet de réduire également le taux de porosité dans la pièce finale obtenue.
De manière alternative, les éléments de balayage et d’agitation se déplacent simultanément.
Suivant encore une autre alternative, la ou les sonotrodes 21 sont placées sur le support de fabrication qui reçoit la couche de poudre. Les vibrations sont transmises aux particules de poudre avant la fusion. Les sonotrodes 21 peuvent être agencées par-dessus la surface libre de la couche de poudre suivant l’axe vertical mais aussi sur le support de fabrication.
Chaque sonotrode est reliée à une source d’énergie 23 telle qu’un générateur qui délivre une puissance comprise entre 50 et 1000 Watts. Chaque sonotrode génère des ultrasons à une fréquence qui est comprise entre 10 et 100 kilohertz (kHz). La puissance des ultrasons est comprise entre 5 et 100 Watts/L.
Les ultrasons sont émis de façon continu ou par impulsions.
Nous allons maintenant décrire le procédé de fabrication additive d’une pièce, en particulier de turbomachine à l’aide d’une installation telle que celle décrite ci-dessus.
Le procédé comprend les étapes suivantes de :
  • fourniture a) d’un matériau sous forme de particules de poudre pour la fabrication de la pièce,
  • transfert b) d’une couche de poudre sur un support de fabrication,
  • agitation c) de la poudre de manière à compacter la première couche de poudre,
  • balayage d) d’une énergie sur la première couche de poudre de manière à provoquer la fusion de la première couche sur le support de fabrication.
Lors de l’étape de fourniture a), la poudre est stockée dans le premier réservoir 2 avec son fond mobile formé par le premier plateau 5.
Préalablement à l’étape de transfert b), la hauteur du premier plateau 5 est incrémentée d’une valeur prédéterminée, vers le haut, suivant l’axe vertical Z, ce qui permet de définir une première couche de poudre destinée à être transvasée sur le support de fabrication (deuxième plateau 6). L’extrémité libre de la poudre dépasse la bordure périphérique libre du premier réservoir 2.
L’élément de balayage 11 est déplacé depuis sa première position vers sa deuxième position en poussant la première couche de poudre ainsi formée. L’élément de balayage 11 réalise avantageusement, mais non limitativement un compactage de cette première couche de poudre sur le support de fabrication. Le surplus de poudre est transvasé dans le réservoir de recyclage 4.
Pendant l’étape d’agitation c), des ultrasons parcourent la couche de poudre et font vibrer les particules de poudre les unes par rapport aux autres. Cela entraîne un réagencement des particules de poudre entre elles de manière à rendre la couche de poudre davantage plus compacte. Les figures 3 et 4 illustrent respectivement les particules de poudre avant l’agitation des particules et après l’agitation, de celles-ci. Nous constatons que la couche de poudre sur la figure 3 comprend des particules de poudre de granulométries différentes et des espaces séparant les particules de petite taille et celles de taille plus importante. A l’inverse, sur la figure 4, il y a très peu d’espace entre les différentes particules après agitation, voire aucun espace de sorte que la couche de poudre est tassée et très compacte. La couche de poudre réagencée et plus compacte peut alors être fusionnée dans l’étape de balayage d’énergie expliquée ci-après.
Pendant l’étape de balayage, l’énergie, ici le faisceau laser, chauffe la première couche de poudre (qui a été agitée préalablement) jusqu’à ce que celle-ci soit fondue. En particulier, la poudre est chauffée à une température supérieure à la température de fusion du matériau qui compose les particules de poudre. Cette première couche de matériau fondue forme une portion de la pièce à fabriquer.
Ensuite, la hauteur du support de fabrication est décrémentée de la valeur correspondant sensiblement à la hauteur de la première couche.
Une nouvelle étape de transfert d’une deuxième couche de poudre a lieu sur le support de fabrication, et en particulier, sur la première couche de matériau fondue. Cette deuxième couche est agitée, puis fondue par le faisceau laser 15. Ces étapes sont répétées jusqu’à obtenir la pièce finale.

Claims (11)

  1. Installation (1) de fabrication additive sur lit de poudre d’une pièce, en particulier de turbomachine, l’installation (1) comprenant :
    • un premier réservoir (2) dans lequel est stocké un volume de particules de poudre du matériau destiné à réaliser la pièce,
    • un support de fabrication (6) sur lequel est transférée une couche de poudre du premier réservoir, et
    • un élément de génération d’énergie (14) en direction de la couche de poudre sur le support de fabrication (6) de manière à obtenir une fusion de la couche de poudre,
    caractérisée en ce que l’installation (1) comprend un élément d’agitation (20) des particules de poudre de la couche de poudre sur le support de fabrication (6) de manière à compacter celle-ci avant la fusion de la couche de poudre.
  2. Installation (1) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que l’élément d’agitation (20) génère des ultrasons.
  3. Installation (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l’élément d’agitation (20) comprend une ou plusieurs sonotrodes (21).
  4. Installation (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la poudre comprend un mélange de particules de poudre de granulométries différentes.
  5. Installation (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu’elle comprend un élément de balayage (11) destiné à transférer une couche de poudre du premier réservoir (2) sur le support de fabrication (6), l’élément de balayage (11) se déplaçant dans un plan contenant un axe longitudinal X.
  6. Installation (1) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que l’élément d’agitation (20) est monté en amont de l’élément de balayage et/ ou sur le support de fabrication (6) suivant l’axe longitudinal X.
  7. Installation (1) selon l’une des revendications 2 à 6, caractérisée en ce que l’élément d’agitation (20) se déplace à la surface libre de la couche de poudre.
  8. Procédé de fabrication additive sur lit de poudre d’une pièce, en particulier de turbomachine, le procédé comprenant les étapes suivantes :
    • fourniture a) d’un matériau sous forme de particules de poudre pour la fabrication de la pièce,
    • transfert b) d’une couche de poudre sur un support de fabrication (6), et
    • balayage d) d’une énergie sur la couche de poudre de manière à provoquer la fusion de la couche de poudre sur le support de fabrication (6),
    caractérisé en ce qu’il comprend une étape d’agitation c) des particules de poudre de la couche de poudre de manière à compacter la couche de poudre avant la fusion de celle-ci.
  9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que des ultrasons parcourent les particules de poudre de manière à les faire vibrer les unes par rapport aux autres.
  10. Procédé selon l’une des revendications 8 et 9, caractérisé en ce que les étapes b), c) et d) sont répétées pour chaque nouvelle couche de matériau de manière à réaliser la pièce.
  11. Procédé selon l’une des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que la poudre comprend un mélange de particules de poudre de granulométries différentes.
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