FR3104485A1

FR3104485A1 - procédé de fabrication additive d’un élément chauffant

Info

Publication number: FR3104485A1
Application number: FR1914271A
Authority: FR
Inventors: Guilhem Roux; Michel Planque
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2019-12-12
Filing date: 2019-12-12
Publication date: 2021-06-18

Abstract

Procédé de fabrication additive d’un élément chauffant Procédé de production d’un élément chauffant, le procédé comportant :a) la fourniture d’une pièce de base et d’au moins un organe chauffant disposé sur la pièce de base et conformé pour dissiper de la chaleur par effet Joule, etb) le dépôt d’un matériau de revêtement sur la pièce de base et sur l’organe chauffant, au moyen d’une méthode de fabrication additive, pour former un revêtement recouvrant l’organe chauffant. Figure pour l’abrégé : Fig. 7

Description

procédé de fabrication additive d’un élément chauffant

La présente invention concerne un procédé de fabrication d’un élément chauffant.

Les éléments chauffants sont utilisés pour chauffer une pièce, par exemple en un matériau céramique ou métallique, par conduction et/ou convection et/ou rayonnement.

Un élément chauffant connu est un cordon ou une nappe formé de fils métalliques isolés les uns des autres. Un tel élément chauffant est par exemple enroulé autour d’une pièce à chauffer et relié à un générateur de courant. Il chauffe la pièce à chauffer par conduction de la chaleur qu’il produit par effet Joule lors du passage d’un courant dans les fils métalliques. De tels éléments chauffants ont cependant un rendement de chauffe limité.

Un autre élément chauffant connu présente la forme d’une plaque comportant un évidement dans laquelle un câble chauffant est logé et recouvert d’un joint de brasage. Le joint de brasage protège le câble chauffant et assure en outre un contact intime entre l’élément chauffant et la pièce à chauffer pour un transfert thermique par conduction.

Le joint de brasage est obtenu en appliquant, par exemple en étalant, une pâte de brasage sur le câble chauffant. Une telle pâte de brasage est généralement mise en œuvre comme intermédiaire entre deux pièces à braser. Elle contient des particules en un matériau de brasage métallique dispersées dans un liant. Après l’application de la pâte de brasage, la pièce ainsi formée est placée dans un four pour dégrader le liant et fondre le matériau de brasage afin de lier le joint de brasage à la plaque, et à immerger le câble chauffant entre la plaque et le joint de brasage.

Cependant, la fabrication d’une telle plaque chauffante présente des inconvénients. Tout d’abord, le choix du matériau de brasage est restreint. Notamment, le matériau de brasage doit présenter une température de fusion inférieure à celle de la pièce de base sur laquelle il est déposé. Le choix du matériau pour former la pièce de base est lui aussi restreint, car un tel matériau doit être compatible avec le matériau de brasage pour lier le joint de brasage à la pièce de base. En outre, la pâte de brasage se liquéfie avec une augmentation de la température, ce qui limite son application sur des surfaces inclinées ou complexes. La formation du joint de brasage est donc difficile à mettre en œuvre pour des géométries complexes.

Par ailleurs, une telle plaque chauffante ne peut pas être mise en œuvre pour chauffer une pièce à une température supérieure à la température de fusion du matériau de brasage, au risque d’endommager le câble chauffant. De plus, les matériaux de brasage connus présentent des conductions thermiques inférieures à la conductivité thermique du matériau formant la pièce de base, ce qui réduit l’efficacité du transfert thermique vers la pièce à chauffer.

Enfin, suite au brasage, la plaque chauffante doit être usinée afin de présenter une face conférant un bon contact thermique avec le composant à chauffer quand un échange thermique par transfert conductif est privilégié.

Il existe donc un besoin pour surmonter les inconvénients décrits ci-dessus.

L’invention vise à satisfaire au moins partiellement ce besoin et propose un procédé de production d’un élément chauffant, le procédé comportant :
a) la fourniture d’une pièce de base et d’au moins un organe chauffant disposé sur la pièce de base et conformé pour dissiper de la chaleur par effet Joule, et
b) le dépôt d’un matériau de revêtement sur la pièce de base et sur l’organe chauffant, au moyen d’une méthode de fabrication additive, pour former un revêtement recouvrant l’organe chauffant.

Ainsi, afin de recouvrir une pièce de base qui est en un matériau de base prédéterminé, le matériau de revêtement peut être choisi dans liste différente, notamment élargie par rapport à la liste des matériaux de brasage compatibles avec le matériau de base.

En outre, la mise en œuvre d’une méthode de fabrication additive peut réduire le temps nécessaire pour produire l’élément chauffant, en comparaison avec un procédé classique mettant en œuvre le dépôt et la cuisson d’une pâte de brasage, qui peut nécessiter des cycles de plusieurs heures.

De préférence, le matériau de base et le matériau de revêtement sont des alliages métalliques.

Le matériau de revêtement et le matériau de base peuvent comporter un ou plusieurs mêmes métaux majoritaires. Un «métal majoritaire» représente plus de 30 %, voire plus de 50 %, voire plus de 80 %, voire plus de 90 % de la masse du matériau qui le comporte.

En particulier, le matériau de base peut être un acier inoxydable, par exemple choisi parmi l’acier AISI 310S, l’acier 316L, l’acier 304L, et l’acier 174PH, et le matériau de revêtement peut être un alliage à base nickel, par exemple choisi parmi l’alliage IN600 et l’alliage IN718. Un tel alliage à base nickel présente une bonne résistance mécanique et une bonne résistance à la corrosion à haute température. En variante, le matériau de base peut être en un acier inoxydable et le matériau de revêtement peut être un alliage de cuivre, par exemple un alliage CuCrZr, ou un alliage CuNiSi.

Selon un mode de mise en œuvre préféré, le matériau de revêtement et le matériau de base peuvent être identiques.

Selon un autre mode de mise en œuvre préféré, le matériau de revêtement peut présenter une conductivité thermique supérieure ou égale à la conductivité thermique du matériau de base. L’efficacité du transfert thermique entre l’élément chauffant et une pièce à chauffer est ainsi améliorée.

Le matériau de revêtement peut présenter une conductivité thermique, mesurée à 20°C, supérieure à 15 W/m.K, de préférence supérieure à 20 W/m.K, de préférence supérieure à 50 W/m.K, de préférence supérieure à 100 W/m.K, de préférence supérieure à 200 W/m.K.

De préférence, le matériau de revêtement est différent d’une pâte de brasage.

La pièce de base peut être obtenue par la méthode de fabrication additive. En particulier, le procédé peut comporter, préalablement à l’étape a), la mise en œuvre de la méthode de fabrication additive pour fabriquer la pièce de base.

Le matériau de base, constituant la pièce de base, peut être un matériau céramique, ou de préférence en un matériau métallique.

De préférence, il présente une conductivité thermique à 20 °C, supérieure à 10 W/m.K, de préférence supérieure à 15 W/m.K

La pièce de base peut être de forme variée. Elle peut présenter une forme d’un tube creux, cylindrique de révolution ou de section polygonale, par exemple rectangulaire ou carrée. Ainsi, le procédé peut être mis en œuvre pour fabriquer un élément chauffant de forme plus complexe qu’une plaque.

De préférence, la pièce de base présente la forme générale d’une plaque, qui présente de préférence un rapport entre sa longueur sur son épaisseur supérieur à 10, voire supérieure à 100. L’épaisseur d’une plaque est la plus grande distance entre les deux grandes faces de la plaques, mesurée perpendiculairement aux grandes faces. La plaque peut présenter une longueur comprise entre 1 cm et 100 cm.

De préférence, la pièce de base comporte un évidement et l’organe chauffant est logé dans l’évidement. En particulier, l’élément chauffant peut comporter plusieurs organes chauffants logés dans l’évidement. La pièce de base peut comporter plusieurs évidements et l’élément chauffant comporte plusieurs organes chauffants étant chacun logé dans un des évidements correspondant.

L’évidement peut être usiné, et notamment fraisé dans la pièce de base.

L’évidement peut être ménagé dans une paroi de la pièce de base. De préférence, la pièce de base est une plaque et l’évidement est ménagé dans une des grandes faces de la plaque.

Vu selon une direction normale à la paroi dans laquelle il est ménagé, l’évidement peut présenter un contour circulaire, ellipsoïdal ou polygonal, par exemple rectangulaire, voire carré.

Par exemple, la pièce de base est une plaque et vu selon une direction normale à la paroi dans laquelle l’évidement est ménagé, l’aire couverte par l’évidement représente plus de 80 % de l’aire de la paroi.

L’évidement peut présenter un fond plat et le ou les organes chauffants sont disposés sur, et en particulier en contact avec, le fond de l’évidement.

En variante, l’évidement peut être une rainure formée dans une paroi de la pièce de base et l’organe chauffant suit le trajet défini par la rainure.

La rainure peut déboucher, le long du trajet qu’elle définit, par une ouverture d’entrée et une ouverture de sortie, dans et hors de la pièce de base respectivement, pour l’introduction de l’organe chauffant dans la pièce de base. Par exemple, la pièce de base est une plaque et les ouvertures d’entrée et de sortie sont disposées sur au moins une des faces latérales de la plaque. En variante, la rainure peut comporter une unique ouverture par laquelle l’organe chauffant pénètre et sort de la rainure.

Vu selon une direction normale à la paroi dans laquelle la rainure est formée, la rainure peut présenter une forme d’un serpentin ou de deux spirales concentriques et reliées entre elles. La section transverse de la rainure peut être en forme d’un «U» ou semi-circulaire, ou en forme de portion d’ellipse.

L’organe chauffant est disposé sur la pièce de base. Il peut reposer sur la pièce de base. De préférence, il est au contact de la pièce de base.

Il peut être enroulé sur la pièce de base. Par exemple, la pièce de base présente la forme d’un tube creux et l’organe chauffant peut être enroulé, en particulier en hélice autour de la paroi latérale du tube.

Par ailleurs, dans sa portion superposée et/ou au contact de la pièce de base, l’organe chauffant est de préférence intégralement contenu dans l’évidement. De préférence, l’épaisseur de l’organe chauffant est inférieure à la profondeur de l’évidement, lesdites épaisseur et profondeur étant mesurées selon une direction normale à la paroi dans laquelle l’évidement est formé.

L’organe chauffant est de préférence en contact avec la pièce de base.

L’organe chauffant peut être fixé sur la pièce de base.

De préférence, l’organe chauffant est agrafé sur la pièce de base, notamment au moyen d’au moins une agrafe, l’organe chauffant étant pris en sandwich entre l’agrafe et la pièce de base. L’agrafe peut comporter une bague de maintien ceinturant l’organe chauffant et au moins une patte de fixation reliée à la bague de maintien, introduites en force ou soudées dans la pièce de base.

En particulier, dans la variante où l’organe chauffant est logé dans l’évidement, l’agrafe peut comporter des pâtes de fixation fixées sur au moins une face de l’évidement.

En variante, l’évidement peut comporter une gorge en forme de portion annulaire, par exemple présentant un diamètre inférieur au diamètre de l’organe chauffant, qui fait saillie du fond de l’évidement et l’organe chauffant est logé en force dans la gorge.

L’organe chauffant peut être choisi parmi une tige résistive rigide et un câble.

De préférence, l’organe chauffant est souple. De préférence, l’organe chauffant est un câble.

De préférence, le câble comporte de préférence une âme électriquement conductrice enserrée dans une gaine d’isolation électrique en un matériau diélectrique, par exemple en magnésie. La gaine d’isolation électrique est de préférence enserrée dans une gaine de protection, par exemple formé d’un alliage réfractaire tel que l’Inconel® 600, l’acier inoxydable 316L ou l’acier inoxydable 304L.

L’âme conductrice est de préférence métallique et présente, de préférence, une résistance électrique comprise entre 1000 Ω/m et 20000 Ω/m, par exemple de 7,0±0,7 Ω/m L’âme conductrice est par exemple formée d’un fil métallique ou d’un toron de fils métalliques. Elle peut présenter un diamètre compris entre 1,0 mm et 5,0 mm, par exemple de 2,0±0,05 m et être apte à générer, par effet Joule, une puissance thermique linéique supérieure à 100 W.m^-1.

Par ailleurs, une méthode de fabrication additive est mise en œuvre pour déposer le matériau de revêtement sur la pièce de base et sur l’organe chauffant.

Une méthode de «fabrication additive», comme cela est bien connu de l’homme du métier, comporte le dépôt d’un matériau en passes successives pour former un empilement de couches jusqu’à l’obtention d’une pièce ou d’une partie d’une pièce, par exemple un revêtement.

De préférence, le dépôt à l’étape b) est effectué au moyen d’un dispositif de fabrication additive comportant une tête de dépôt pour déposer le matériau de revêtement.

En particulier, la méthode de fabrication additive peut comporter l’alimentation de la tête de dépôt avec le matériau de revêtement, notamment sous la forme d’un fil ou d’une poudre et le déplacement de la tête de dépôt le long et/ou autour de l’axe longitudinal de l’organe chauffant.

De préférence, la tête de dépôt est montée sur un bras articulé. Le bras articulé peut être mobile en translation selon au moins un axe de translation, voire selon au moins deux, voire trois axes de translation perpendiculaires les uns aux autres et/ou mobile en rotation autour d’au moins un axe de rotation, voire d’au moins deux, voire de trois axes de rotation perpendiculaires les uns aux autres.

La tête de dépôt est de préférence déplacée par translation et/ou rotation du bras articulé autour d’au moins un, voire de plusieurs des axes de translation et/ou d’au moins un, voire de plusieurs des axes de rotation. Ainsi, le matériau de revêtement peut être déposé dans les interstices entre l’organe chauffant et la pièce de base, par exemple le fond de l’évidement, qui sont difficilement accessibles par l’étalement classique d’une pâte de brasage. La surface de contact entre l’organe chauffant et le revêtement est ainsi augmentée, ce qui améliore l’efficacité du transfert thermique par conduction de l’élément chauffant.

Différentes méthodes de fabrication additive peuvent être mises en œuvre.

Selon un premier mode de mise en œuvre, la méthode de fabrication additive comporte la mise en contact du matériau de revêtement en fusion avec la pièce de base et/ou l’organe chauffant. Elle comporte de préférence la mise en contact du matériau de revêtement en fusion avec le revêtement en formation.

De préférence, la méthode de fabrication additive comporte la solidification du matériau de revêtement à une vitesse de refroidissement supérieure à 500 K/s. Avantageusement, la diffusion d’éléments chimiques entre la pièce de base et le revêtement ainsi que le formation de composés indésirables sont limités.

De préférence, la tête de dépôt comporte un moyen d’alimentation pour distribuer le matériau de revêtement et un moyen de fusion pour fondre le matériau de revêtement distribué par le moyen d’alimentation. Le moyen d’alimentation et le moyen de fusion peuvent être fixes l’un par rapport à l’autre.

En particulier, la méthode de fabrication additive peut être une méthode de «dépôt direct de métal», aussi connue sous l’acronyme «DMD».

La méthode de fabrication additive peut comporter la projection de particules de départ comportant, de préférence consistant en, le matériau de revêtement sur la pièce de base, par exemple dans l’évidement, et la génération d’un faisceau d’énergie concentrée interceptant les particules de départ projetées pour fondre les particules de départ sous forme de gouttelettes en fusion préalablement à la mise en contact des particules de départ sur la pièce de base et/ou l’organe chauffant. Par exemple, le faisceau d’énergie peut présenter une énergie supérieure à 100 W.

Le faisceau d’énergie concentrée peut être choisi parmi un faisceau lumineux, de préférence un faisceau laser, un plasma et un faisceau d’électrons.

Le moyen d’alimentation peut être une buse de projection des particules et le moyen de fusion peut être choisi parmi un générateur de faisceau laser, une torche plasma et un générateur de faisceau d’électrons respectivement.

De préférence, la vitesse moyenne des particules projetées est adaptée à faciliter l’étalement des gouttelettes en fusion sur la pièce de base, le revêtement en formation et/ou l’organe chauffant. Par «revêtement en formation», on entend la partie de revêtement formée lors des passes préalables de la méthode de fabrication additive.

Les particules de départ forment une poudre qui comporte le matériau de revêtement. De préférence, la taille médiane des particules de départ de la poudre est comprise entre 30 µm et 100 µm. La «taille» d’une particule est le diamètre de la plus petite sphère qui est circonscrite à la particule

En variante, la méthode de fabrication additive peut être une méthode dite de «dépôt arc-fil», aussi connue sous l’abréviation «WAAM», acronyme anglais de «Wire and Arc Additive Manufacturing».

La méthode de fabrication additive peut comporter la génération d’un arc électrique pour fondre un fil comportant le matériau de revêtement. Le fil est notamment distant de la pièce de base et/ou de l’organe chauffant et/ou du revêtement en formation, préalablement à la génération de l’arc électrique et la méthode de fabrication additive comporte la fusion du fil au contact de la pièce de base.

Le moyen de fusion pour fondre le fil peut être choisi parmi une torche de soudure TIG comportant une électrode non fusible en tungstène, une torche de soudure à l’arc métallique sous protection gazeuse, aussi dénommée torche de soudure MIG/GMAW, une torche de soudure par faisceau d’électrons, aussi dénommée torche de soudure EB. Le moyen d’alimentation peut être un dérouleur de fil.

Selon un deuxième mode de mise en œuvre, la méthode de fabrication additive comporte la mise en contact du matériau de revêtement à l’état solide, sous forme d’une poudre, avec la pièce de base et/ou l’organe chauffant. Elle comporte de préférence la mise en contact du matériau de revêtement à l’état solide avec le revêtement en formation.

De préférence, la méthode de fabrication additive est une méthode dite de type «cold spray».

De préférence, la méthode de fabrication additive comporte la projection de particules de départ, telles que décrites ci-dessus, en direction de la pièce de base et/ou de l’organe chauffant, la vitesse des particules de départ étant supersonique, de préférence supérieure à 500 m.s^-1et de préférence inférieure à 1000 m.s^-1. Ainsi, les particules de départ sont déformées plastiquement, et notamment compactées, lors de leur entrée en contact avec la pièce de base et/ou l’organe chauffant et/ou le revêtement en formation, sous l’effet de leur énergie cinétique.

La projection des particules de départ peut être effectuée en injectant les particules de départ dans un flux gazeux supersonique orienté vers la pièce de base et/ou l’organe chauffant.

Afin d’assouplir les particules, la méthode de fabrication additive peut comporter le chauffage de la poudre de particules, de préférence par échange convectif avec le flux gazeux, à une température d’au moins 400 °C inférieure à la température de fusion du matériau de revêtement et, de préférence inférieure à 800 °C

En particulier, dans la variante selon laquelle la pièce comporte un évidement, en fin d’étape b),le revêtement recouvre de préférence intégralement l’évidement et la partie de l’organe chauffant se superposant à et/ou au contact de la pièce de base.

Par ailleurs, en fin d’étape b), le revêtement peut recouvrir plus de 70 %, voire plus de 80 %, voire plus de 90 %, de préférence 100 % de l’aire de la face de la pièce de base sur laquelle l’organe chauffant est disposé.

De préférence, en fin d’étape b), la partie de l’organe chauffant se superposant et/ou en contact avec la pièce de base est incorporée en masse dans l’ensemble formé par la pièce de base et le revêtement.

Par ailleurs, le procédé peut comporter, ultérieurement à l’étape b), une étape c) d’usinage du revêtement. En particulier, l’étape d’usinage peut comporter la rectification du revêtement, par exemple de sorte que la face de la pièce de base sur laquelle débouche l’évidement et la face du revêtement obturant l’évidement soient planes et s’étendent dans un plan commun.

Le procédé peut comporter, successivement à l’étape b), ou le cas échéant à l’étape c), la fixation de l’élément chauffant sur une pièce à chauffer.

De préférence, une face de l’élément chauffant recouverte par le revêtement est mise en contact avec la pièce à chauffer.

La pièce à chauffer peut être destinée à être chauffée à une température supérieure à 600°C. De préférence, la pièce à chauffer peut être choisie parmi une pièce d’un dispositif d’électrolyse de l’eau, une pièce d’un dispositif d’électrolyse du dioxyde de carbone, et une pièce d’une pile à combustible.

Enfin, le procédé peut comporter le chauffage, au moyen de l’élément chauffant, de la pièce à chauffer à une température supérieure à 400°C.

L’invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, et du dessin annexé dans lequel:

la figure 1 représente, en vue de dessus et de manière schématique, une pièce de base et un organe chauffant pour la mise en œuvre, selon un premier exemple, du procédé selon l’invention ;

la figure 2 est une vue en coupe transversale, de la pièce de base et de l’organe chauffant illustré selon la figure 1;

la figure 3 est en vue schématique en coupe d’un organe chauffant;

la figure 4 est une vue en coupe transversale, de la pièce de base et de l’organe chauffant illustré selon la figure 1;

la figure 5 représente, en vue en coupe transversale et schématiquement, l’élément chauffant obtenu selon le premier exemple de mise en œuvre du procédé ;

la figure 6 représente, en vue en coupe transversale, l’élément chauffant obtenu selon le premier exemple de mise en œuvre du procédé comportant une étape de rectification ;

la figure 7 est une vue en perspective et schématique, d’une pièce de base et d’un organe chauffant pour la mise en œuvre selon un deuxième exemple du procédé selon l’invention;

la figure 8 représente une variante de mise en œuvre d’une méthode de fabrication additive;

la figure 9 représente une autre variante de mise en œuvre d’une méthode de fabrication additive;

la figure 10 représente encore une variante de mise en œuvre d’une méthode de fabrication additive;

la figure 11 représente, en vue en coupe transversale et schématiquement, l’élément chauffant obtenu selon un exemple de mise en œuvre du procédé;

la figure 12 représente, en vue en perspective, une pièce de base et un organe chauffant pour la mise en œuvre, selon un troisième exemple, du procédé selon l’invention; et

la figure 13 représente, en vue en coupe longitudinale, un élément chauffant obtenu par le procédé selon le troisième exemple de mise en œuvre.

Dans les figures, les dimensions et proportions des différents éléments n’ont pas été nécessairement respectées, par souci de clarté du dessin.

On a illustré sur les figures 1 à 7 un premier exemple de mise en œuvre du procédé.

Un organe chauffant 5, sous la forme d’un câble souple, est au contact d’une pièce de base 10 présentant une forme générale d’une plaque, comme illustré sur la figure 1. La pièce de base peut être métallique, et notamment en un acier inoxydable, par exemple l’acier AISI 310S.

La pièce de base comporte un évidement 15, illustré en coupe sur la figure 2, ménagé dans une grande face 20 de la plaque et l’organe chauffant est logé dans l’évidement. L’évidement présente, en vue de dessus, un contour 25 rectangulaire et débouche sur des faces latérales 30,35 opposées de la pièce de base par une ouverture d’entrée 40 et une ouverture de sortie 45 respectivement, au travers desquelles l’organe chauffant est engagé dans l’évidement.

L’organe chauffant est conformé pour élever la température de l’élément chauffant par effet Joule. Il peut présenter une section transverse S circulaire, comme illustré sur la figure 3.

Il comporte une âme 50 conductrice métallique, par exemple en cuivre, logée dans une gaine d’isolation électrique 55, par exemple en magnésie, elle-même intégralement recouverte d’une gaine de protection 60 souple en un alliage réfractaire, par exemple de nickel et de chrome comme l’Inconel® 600.

L’âme conductrice est par exemple configurée pour produire une puissance thermique par effet Joule supérieure à 100 W, sans dégradation de l’organe chauffant. L’organe chauffant peut comporter à chacune de ses extrémités des fiches de connexion 65,70 respectives, pour être branchées aux bornes d’un générateur de courant électrique.

Pour éviter un mouvement de l’organe chauffant par rapport à la pièce de base, l’organe chauffant peut être fixé sur la pièce de base. Il peut être agrafé 75 dans la pièce de base.

Par ailleurs, afin d’augmenter la surface d’échange thermique, entre l’organe chauffant et la pièce à chauffer, l’organe chauffant peut former un serpentin dans l’évidement.

Pour former un revêtement 100 sur la pièce de base et sur l’organe chauffant, un dispositif de fabrication additive 80 est mis en œuvre. Il comporte un tête de dépôt 85 pour déposer un matériau de revêtement sur la pièce de base et sur l’organe chauffant, et un bras articulé multiaxe 90 sur lequel la tête de dépôt est montée. La tête de dépôt est ainsi mobile en translation et en rotation. Elle peut notamment être déplacée autour et le long de l’axe d’extension Y de l’organe chauffant, qui est curviligne et représenté partiellement en pointillés sur la figure 1, afin de revêtir la partie de la face latérale 95 de l’organe chauffant distante de la pièce de base. En particulier, la tête de dépôt peut être disposée de façon à déposer le matériau de revêtement sur l’ensemble de la face latérale 95 de l’organe chauffant distante de la pièce de base. En particulier, elle peut être disposée pour déposer le matériau de revêtement sur la partie de la face latérale de l’organe chauffant qui est en regard de la paroi de fond de la pièce de base, sur laquelle la mise en contact du matériau de revêtement peut être complexe à obtenir lors d’un dépôt par écoulement gravitaire.

Le dépôt peut être mis en œuvre de manière à recouvrir l’intégralité de l’organe chauffant contenue dans l’évidement, et de manière à remplir au moins partiellement, voire de préférence intégralement l’évidement avec le matériau de revêtement pour former le revêtement.

Notamment, la profondeur P de l’évidement, mesurée selon la direction de l’épaisseur de la plaque de base est supérieure au diamètre d de l’organe chauffant. Ainsi, en formant un revêtement remplissant intégralement l’évidement, l’organe chauffant est noyé dans l’ensemble formé par la plaque de base et le revêtement, comme illustré sur les figures 5 et 6.

Enfin, de manière optionnelle, pour augmenter l’efficacité du transfert thermique par conduction avec une pièce à chauffer, la face du revêtement obturant l’évidement peut être rectifiée. Par exemple, comme cela est illustré sur la figure 6, l’ensemble forme une plaque présentant des grandes faces planes 20, 100. Un exemple d’élément chauffant 102 est ainsi fabriqué.

Un deuxième exemple de mise en œuvre du procédé est illustré sur les figures 7 à 11. Il diffère du premier exemple en ce que l’évidement 15 est une rainure 110 présentant une section transverse de contour en portion d’arc de cercle, et qui forme un canal serpentant entre une ouverture d’entrée 40 et une ouverture de sortie 45 ménagées sur les faces latérales de la pièce de base.

L’organe chauffant est disposé dans la rainure, au contact de la pièce de base. Le revêtement est formé en recouvrant l’organe chauffant par fabrication additive, comme illustré sur les figures 8 à 10.

La méthode de fabrication additive peut être une méthode de type «cold spray», comme illustrée sur la figure 8. Elle met en œuvre un dispositif de fabrication additive comportant une tête de dépôt 85 montée sur un bras articulé, tel que décrit pour l’exemple 1, et un réservoir 120. Une poudre 125 de particules métalliques, par exemple en un alliage de cuivre, est stockée dans le réservoir. La tête de dépôt 85 comporte en outre une buse 130 qui génère un flux d’air F supersonique. Le dispositif comporte une pompe d’injection 140 injectant les particules de la poudre en provenance du réservoir dans le flux supersonique. Les particules 145 sont ainsi accélérées par le flux supersonique et sont projetées dans l’évidement contre la pièce de base. La tête de dépôt est ensuite déplacée de manière à former des passes successives sur le matériau de revêtement préalablement déposé dans l’évidement jusqu’à formation du revêtement 100, comme illustré par exemple sur la figure 11. Un élément chauffant 102 est ainsi fabriqué.

En variante, la méthode de fabrication additive peut être une méthode «DMD», comme illustré sur la figure 9. Elle met en œuvre un dispositif de fabrication additive 80 comportant une tête de dépôt 85 montée sur un bras articulé, tel que décrit pour l’exemple 1, et un réservoir 120 contenant une poudre de particules métalliques. La tête de dépôt comporte un dispositif optique 150 émettant un faisceau laser L en direction de la pièce de base et une buse de projection 160 alimentée à partir du réservoir et qui injecte les particules 145 dans le faisceau laser. Les particules sont fondues sous la forme de gouttelettes 150, sous l’effet de l’énergie du faisceau laser, et se déposent sur le fond de l’évidement. La tête de dépôt est ensuite déplacée de manière à former des passes successives sur le matériau de revêtement préalablement déposé dans l’évidement jusqu’à formation du revêtement 100.

Selon encore une autre variante, la méthode de fabrication additive peut être une méthode de type «dépôt arc-fil», comme illustré sur la figure 10. Elle met en œuvre un dispositif de fabrication additive 80 comportant une tête de dépôt montée sur un bras articulé, tel que décrit pour l’exemple 1 et une bobine 170 sur laquelle un fil métallique 175 est enroulé. La tête de dépôt comporte une électrode 180 pour générer un arc électrique A et un dérouleur de fil 185 amenant le fil de la bobine jusqu’à l’arc électrique. Sous l’effet de l’énergie de l’arc, le fil est fondu sous forme de gouttelettes 150 et se déposent sur le fond de l’évidement. La tête de dépôt est ensuite déplacée de manière à former des passes successives sur le matériau de revêtement préalablement déposé dans l’évidement jusqu’à formation du revêtement 100.

Bien évidemment, l’une quelconque des trois méthodes de fabrication additives décrites ci-dessus peut être implémentée pour fabriquer l’élément chauffant de l’exemple 1 décrit ci-dessus et l’élément chauffant de l’exemple 3 décrit ci-après.

Les figures 12 et 13 illustrent un troisième exemple de mise en œuvre du procédé selon l’invention.

La pièce de base est un tube creux 200 cylindrique de révolution d’axe X. L’organe chauffant 5 est disposé au contact de la face radialement extérieure 205 de la paroi du tube. Il est enroulé en hélice autour de la face radialement extérieure et est fixé sur la paroi au moyen de bagues de maintien 210 comportant une portion annulaire 215 entourant l’organe chauffant et de prolongeant par des pâtes 220,225 de maintien fixées, par exemple soudées sur la pièce de base.

Un revêtement 100 est déposé sur la pièce de base par une méthode de fabrication additive qui recouvre l’intégralité de la pièce et de base et de la partie de l’organe chauffant au contact de la pièce de base, jusqu’à formation, comme illustré sur la figure 11, d’un élément chauffant 102 présentant une forme de tube cylindrique de révolution.

Un tel élément chauffant est en pratique difficile à concevoir par une méthode conventionnelle de dépôt et cuisson d’une pâte de brasage.

Bien entendu, l’invention n’est pas limitée aux seuls exemples et modes de réalisation particuliers décrits dans la demande.

Claims

Procédé de production d’un élément chauffant (102), le procédé comportant:
a) la fourniture d’une pièce de base (10) et d’au moins un organe chauffant (5) disposé sur la pièce de base et conformé pour dissiper de la chaleur par effet Joule, et
b) le dépôt d’un matériau de revêtement sur la pièce de base et sur l’organe chauffant, au moyen d’une méthode de fabrication additive, pour former un revêtement (100) recouvrant l’organe chauffant.
Procédé selon la revendication 1, la pièce de base étant en un matériau de base, le matériau de revêtement présentant une conductivité thermique supérieure ou égale à la conductivité thermique du matériau de base.
Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 et 2, le matériau de revêtement présentant une conductivité thermique, mesurée à 20°C, supérieure à 15 W/m.K, de préférence supérieure à 20 W/m.K, de préférence supérieure à 50 W/m.K, de préférence supérieure à 100 W/m.K, de préférence supérieure à 200 W/m.K.
Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, le matériau de revêtement et le matériau de base comportant un ou plusieurs mêmes métaux majoritaires.
Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 et 3 à 4, le matériau de revêtement et le matériau de base étant identiques.
Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, la pièce de base comportant un évidement (15) et l’organe chauffant étant logé dans l’évidement.
Procédé selon la revendication précédente, l’évidement étant une rainure (110) formée dans une paroi de la pièce de base et l’organe chauffant suivant le trajet défini par la rainure.
Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, l’organe chauffant étant intégralement contenu dans l’évidement, dans sa portion superposée et/ou au contact de la pièce de base.
Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, le dépôt à l’étape b) étant effectué au moyen d’un dispositif de fabrication additive comportant une tête de dépôt (85) pour déposer le matériau de revêtement, la méthode de fabrication additive comportant de préférence l’alimentation de la tête de dépôt avec le matériau de revêtement et le déplacement de la tête de dépôt le long et/ou autour de l’axe longitudinal de l’organe chauffant.
Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, la méthode de fabrication additive comportant la mise en contact du matériau de revêtement en fusion avec la pièce de base et/ou l’organe chauffant.
Procédé selon la revendication précédente, la méthode de fabrication additive comportant:
- la projection de particules de départ comportant, de préférence consistant en, le matériau de revêtement sur la pièce de base, et
- la génération d’un faisceau d’énergie concentrée interceptant les particules de départ projetées pour fondre les particules de départ sous forme de gouttelettes en fusion préalablement à la mise en contact des particules de départ sur la pièce de base et/ou l’organe chauffant.
Procédé selon la revendication 10, la méthode de fabrication additive comportant la génération d’un arc électrique pour fondre un fil comportant le matériau de revêtement.
Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, la méthode de fabrication additive comportant la mise en contact du matériau de revêtement à l’état solide avec la pièce de base et/ou l’organe chauffant.
Procédé selon la revendication précédente, la méthode de fabrication additive comportant la projection de particules de départ, telles que décrites ci-dessus, en direction de la pièce de base et/ou de l’organe chauffant, la vitesse des particules de départ étant supersonique.
Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant successivement à l’étape b), la fixation de l’élément chauffant sur une pièce à chauffer, la pièce à chauffer étant de préférence choisie parmi une pièce d’un dispositif d’électrolyse de l’eau, une pièce d’un dispositif d’électrolyse du dioxyde de carbone, et une pièce d’une pile à combustible.