FR3111698A1 - Système de détection de défauts dans le chemin optique d’un dispositif de fabrication additive - Google Patents
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Abstract
L’invention porte sur un système de surveillance d’un dispositif de fabrication additive qui comprend un système d’irradiation (3, 4, 5, 7, 8) configuré de manière à diriger un faisceau d’énergie en direction d’une zone de fabrication. Ce système comprend :
- une unité de contrôle du système d’irradiation configurée pour opérer le système d’irradiation suivant une configuration correspondant à un balayage de l’intégralité de la zone de fabrication par le faisceau d’énergie ;
- un déflecteur (11) agencé de manière à dévier le faisceau d’énergie avant qu’il n’atteigne la zone de fabrication ;
- une unité de détection de défauts (12, 13) configurée pour évaluer une propriété du faisceau d’énergie dévié par le déflecteur.
Figure pour l’abrégé : Figure 2.
Description
Le domaine de l’invention est celui des dispositifs de fabrication additive par fusion laser sur lit de poudre. L’invention porte plus particulièrement sur la détection de défauts présents dans la chaîne optique de tels dispositifs.
En référence à la figure 1, le procédé de fabrication additive par micro-fusion laser sur lit de poudre (dit SLM pour « Sintering Laser Melting ») consiste à venir déposer sur un plateau de fabrication 1 un lit de poudre 2 de quelques dizaines de micromètres d’épaisseur. Un spot laser, émis par une source laser 3, est dirigé sélectivement vers le lit de poudre selon des paramètres géométriques prédéfinis au moyen d’une tête de balayage laser 4 doté de réflecteurs 5. Le spot laser chauffe la poudre de telle sorte qu'elle se liquéfie pour créer un bain de fusion. Ce bain de fusion est déplacé à travers le lit de poudre et la « trainée » se solidifie rapidement une fois le retrait de l'énergie laser, créant une structure soudée solide et entièrement dense. A la fin de cette étape, le plateau de fabrication 1 descend d’une épaisseur de couche et une nouvelle couche est déposée. Le processus est ensuite réitéré pour élaborer une nouvelle strate de matière. Ces étapes sont répétées jusqu’à l’obtention du produit fini.
La qualité et la propreté des optiques sont des paramètres importants pour assurer la qualité du procédé mis en œuvre dans les machines de fabrication additive. Une optique endommagée ou sale génère des variations de la puissance laser, de la taille du spot laser, voire même de la position du spot laser. Toutes ces variations ont pour conséquence une baisse de la qualité du procédé pouvant mener à l’apparition de défauts dans les pièces fabriquées, voire même à l’endommagement de la machine dans les cas les plus graves.
Aujourd’hui, les outils disponibles pour mesurer la qualité du faisceau laser consistent principalement en une mesure des paramètres laser grâce à un prélèvement opéré par une cellule de surveillance 6 agencée entre la source laser 3 et la tête de balayage 4. Une telle cellule 6 permet de suivre efficacement le comportement des éléments présents en amont du prélèvement (source laser 3, cellule d’expansion de faisceau 7, cellule de mise en forme du faisceau 8). Il est ainsi possible de constater une éventuelle dérive de la puissance laser ou encore une éventuelle dérive de la qualité de faisceau en entrée de la tête de balayage 4. Une telle cellule 6 ne permet cependant pas de vérifier la qualité des optiques situées après le prélèvement. Or le hublot de protection 9 qui équipe la tête de balayage 4 et à travers lequel le spot laser est dirigé vers le lit de poudre est l’un des éléments les plus critiques de la chaîne optique. Ce hublot 9 est en effet en contact direct avec les fumées générées pendant le procédé de fabrication de sorte qu’un défaut 10, par exemple une poussière, est susceptible d’y apparaître.
L’invention a pour objectif de pallier à un manque d’outil pour surveiller la qualité des optiques dans les machines de fabrication additive et éviter ainsi l’apparition de défauts dans les pièces et un endommagement des machines. L’invention vise plus particulièrement à permettre de surveiller la chaîne optique dans sa globalité, notamment en aval du prélèvement opéré par la cellule de surveillance 6, avec une résolution suffisante pour toute la surface de travail du faisceau laser.
A cet effet, l’invention propose un système de surveillance d’un dispositif de fabrication additive qui comprend un système d’irradiation configuré de manière à diriger un faisceau d’énergie en direction d’une zone de fabrication. Le système de surveillance comprend :
- une unité de contrôle du système d’irradiation configurée pour opérer le système d’irradiation suivant une configuration correspondant à un balayage de l’intégralité de la zone de fabrication par le faisceau d’énergie ;
- un déflecteur agencé de manière à dévier le faisceau d’énergie avant qu’il n’atteigne la zone de fabrication ;
- une unité de détection de défauts configurée pour évaluer une propriété du faisceau d’énergie dévié par le déflecteur.
- une unité de contrôle du système d’irradiation configurée pour opérer le système d’irradiation suivant une configuration correspondant à un balayage de l’intégralité de la zone de fabrication par le faisceau d’énergie ;
- un déflecteur agencé de manière à dévier le faisceau d’énergie avant qu’il n’atteigne la zone de fabrication ;
- une unité de détection de défauts configurée pour évaluer une propriété du faisceau d’énergie dévié par le déflecteur.
Certains aspects préférés mais non limitatifs de ce dispositif sont les suivants :
ladite propriété est une intensité du faisceau d’énergie dévié par le déflecteur et l’unité de détection de défauts comprend un photodétecteur agencé de manière à recevoir le faisceau d’énergie dévié par le déflecteur et un circuit apte à détecter une déviation d’intensité du faisceau d’énergie photodétecté par le photodétecteur ;
l’unité de détection de défauts comprend un collecteur de lumière interposé entre le déflecteur et le photodétecteur ;
ledit circuit est couplé à l’unité de contrôle du système d’irradiation et est configuré pour localiser une déviation d’intensité sur la zone de fabrication ;
le déflecteur est un miroir parabolique ;
le déflecteur est monté sur un appareil élévateur ;
dans ladite configuration, l’unité de contrôle du système d’irradiation est configurée pour opérer le système d’irradiation de manière à ce que le faisceau d’énergie présente une puissance inférieure à une puissance de fabrication de l’objet.
ladite propriété est une intensité du faisceau d’énergie dévié par le déflecteur et l’unité de détection de défauts comprend un photodétecteur agencé de manière à recevoir le faisceau d’énergie dévié par le déflecteur et un circuit apte à détecter une déviation d’intensité du faisceau d’énergie photodétecté par le photodétecteur ;
l’unité de détection de défauts comprend un collecteur de lumière interposé entre le déflecteur et le photodétecteur ;
ledit circuit est couplé à l’unité de contrôle du système d’irradiation et est configuré pour localiser une déviation d’intensité sur la zone de fabrication ;
le déflecteur est un miroir parabolique ;
le déflecteur est monté sur un appareil élévateur ;
dans ladite configuration, l’unité de contrôle du système d’irradiation est configurée pour opérer le système d’irradiation de manière à ce que le faisceau d’énergie présente une puissance inférieure à une puissance de fabrication de l’objet.
D'autres aspects, buts, avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée suivante de formes de réalisation préférées de celle-ci, donnée à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels :
L’invention porte sur un système de surveillance d’un dispositif de fabrication additive d’un objet tri-dimensionnel au moyen par exemple d’une solidification couche par couche d’un matériau de fabrication.
Comme représenté en figure 2, un tel dispositif comprend un plateau 1 de hauteur ajustable sur lequel l’objet est fabriqué, un système d’irradiation configuré de manière à diriger un faisceau d’énergie en direction d’une zone de fabrication et une unité de commande du système d’irradiation configurée pour opérer le système d’irradiation de manière à ce qu’il dirige sélectivement ledit faisceau d’énergie sur des régions d’une couche du matériau de fabrication appliquée dans la zone de fabrication. La zone de fabrication, qui correspond à la surface de travail du faisceau d’énergie, est typiquement de 100 mm x100 mm à 500 mm x 500 mm, voire plus.
Le système d’irradiation peut comprendre une source laser 3, une tête de balayage laser 4 et, interposées entre la source laser et la tête de balayage laser, une cellule d’expansion de faisceau 7, une cellule de mise en forme du faisceau 8 et éventuellement une cellule de surveillance 6. La tête de balayage laser 4 comprend des réflecteurs 5 pilotés par l’unité de commande afin de diriger sélectivement le faisceau d’énergie vers des régions de la zone de fabrication.
Le dispositif peut être équipé d’un système de surveillance apte à permettre la détection de défauts présents dans la chaîne optique du dispositif. Toujours en référence à la figure 2, l’invention porte sur un système de surveillance qui comprend :
- une unité de contrôle du système d’irradiation configurée pour opérer le système d’irradiation suivant une configuration correspondant à un balayage de l’intégralité de la zone de fabrication (i.e. toute la surface de travail) par le faisceau d’énergie ;
- un déflecteur 11 agencé de manière à dévier le faisceau d’énergie avant qu’il n’atteigne la zone de fabrication ;
- une unité de détection de défauts 12, 13 configurée pour évaluer une propriété du faisceau d’énergie dévié par le déflecteur.
- une unité de contrôle du système d’irradiation configurée pour opérer le système d’irradiation suivant une configuration correspondant à un balayage de l’intégralité de la zone de fabrication (i.e. toute la surface de travail) par le faisceau d’énergie ;
- un déflecteur 11 agencé de manière à dévier le faisceau d’énergie avant qu’il n’atteigne la zone de fabrication ;
- une unité de détection de défauts 12, 13 configurée pour évaluer une propriété du faisceau d’énergie dévié par le déflecteur.
Le principe de ce système de surveillance est ainsi de commander le système d’irradiation pour réaliser un balayage (par exemple ligne par ligne, les lignes pouvant être espacées du diamètre du faisceau), de toute la zone de fabrication par le faisceau d’énergie. Cependant, au lieu que le faisceau d’énergie n’atteigne sa cible, i.e. la zone de fabrication, celui-ci est dévié et fait l’objet d’une évaluation pour déterminer la présence d’éventuels défauts, et ce en réalisant une mesure complète sur toute l’étendue de la zone de fabrication.
Le déflecteur 11 peut notamment être un miroir parabolique hors axe qui présente la particularité de diriger et de focaliser le faisceau d’énergie incident selon un angle spécifique.
Le déflecteur 11 peut être agencé sur le plateau de fabrication 1 ou, alternativement, être agencé sur un appareil élévateur 15 monté sur le plateau de fabrication 1 de manière à pouvoir élever ou abaisser le déflecteur 11 et ainsi réaliser une surveillance de l’ensemble du volume de travail du procédé de fabrication. Le système selon l’invention a vocation à s’adapter à plusieurs machines de différents fournisseurs. Les chaines optiques étant différentes, l’appareil élévateur 15 permet de réaliser les ajustements nécessaires pour assurer une bonne mesure.
L’unité de détection de défauts peut quant à elle comprendre un photodétecteur 12, par exemple une photodiode, agencé de manière à recevoir le faisceau d’énergie dévié par le déflecteur 11 et un circuit 13 apte à évaluer l’intensité du faisceau d’énergie dévié par le déflecteur 11. Alternativement, la propriété évaluée du faisceau d’énergie dévié par le déflecteur correspond à la distribution spatiale et temporelle dudit faisceau, telle que mesurée par un analyseur de faisceaux par exemple.
Un collecteur de lumière 14 peut être interposé entre le déflecteur 11 et l’unité de détection de défauts 12 afin de récolter le faisceau dévié et le transmettre vers le photodétecteur.
Le circuit 13 peut notamment être configuré pour détecter une déviation D de ladite intensité, par exemple hors d’une gamme d’intensités délimitée par un seuil bas Sb et un seuil haut Sh, la présence d’un défaut ou d’une poussière dans le chemin optique venant effectivement induire une perte d’intensité du faisceau d’énergie qui est perçue par le photodétecteur. Le circuit 13 peut être couplé à l’unité de contrôle du système d’irradiation (qui commande le balayage de la zone de fabrication) de manière à corréler la position théorique X(t), Y(t) du faisceau d’énergie sur la zone de fabrication et la déviation d’intensité. La déviation d’intensité et donc la position théorique de l’impact du défaut dans la zone de fabrication peuvent ainsi être localisées.
Prenant à titre d’exemple une photodiode dont la fréquence de mesure est de 60Hz, en recherchant un point de mesure tous les 10µm, le faisceau d’énergie peut être balayé au cours de la surveillance à une vitesse de 600mm/s. On relèvera que les paramètres de déplacement du faisceau d’énergie sont néanmoins modulables pour faire varier la précision de l’analyse.
Par ailleurs, au cours de ladite surveillance, l’unité de contrôle du système d’irradiation peut être configurée pour opérer le système d’irradiation de manière à ce que le faisceau d’énergie présente une puissance inférieure à une puissance de fabrication de l’objet, cette puissance réduite (typiquement comprise entre 1 et 100 W, par exemple de 10W) permettant de ne pas endommager les optiques.
Le système de surveillance permet ainsi une détection des défauts présents dans l’intégralité de la chaine optique du dispositif de fabrication additive ainsi qu’une localisation de l’impact du défaut sur le procédé de fabrication (positions X et Y dans la zone de fabrication). Ce système est en outre adapté à tout type de dispositif, quel qu’en soit le fabricant.
L’invention n’est pas limitée au système de surveillance précédemment décrit mais s’étend également à la mise en œuvre d’un tel système, notamment à un procédé de surveillance d’un dispositif de fabrication additive comprenant un système d’irradiation configuré de manière à diriger un faisceau d’énergie en direction d’une zone de fabrication, ce procédé comportant les étapes consistant à :
a) opérer le système d’irradiation suivant une configuration correspondant à un balayage de l’intégralité de la zone de fabrication par le faisceau d’énergie ;
b) dévier le faisceau d’énergie avant qu’il n’atteigne la zone de fabrication ;
c) évaluer une propriété du faisceau d’énergie dévié par le déflecteur.
a) opérer le système d’irradiation suivant une configuration correspondant à un balayage de l’intégralité de la zone de fabrication par le faisceau d’énergie ;
b) dévier le faisceau d’énergie avant qu’il n’atteigne la zone de fabrication ;
c) évaluer une propriété du faisceau d’énergie dévié par le déflecteur.
L’invention s’étend également à un produit programme d’ordinateur comprenant des instructions de code de programme pour l’exécution des étapes a) et c) du procédé susmentionné lorsque ledit programme est exécuté sur un ordinateur.
Claims (9)
- Système de surveillance d’un dispositif de fabrication additive comprenant un système d’irradiation (3, 4, 5, 7, 8) configuré de manière à diriger un faisceau d’énergie en direction d’une zone de fabrication, caractérisé en ce qu’il comprend :
- une unité de contrôle du système d’irradiation configurée pour opérer le système d’irradiation suivant une configuration correspondant à un balayage de l’intégralité de la zone de fabrication par le faisceau d’énergie ;
- un déflecteur (11) agencé de manière à dévier le faisceau d’énergie avant qu’il n’atteigne la zone de fabrication ;
- une unité de détection de défauts (12, 13) configurée pour évaluer une propriété du faisceau d’énergie dévié par le déflecteur. - Système de surveillance selon la revendication 1, dans lequel ladite propriété est une intensité du faisceau d’énergie dévié par le déflecteur et dans lequel l’unité de détection de défauts comprend un photodétecteur (12) agencé de manière à recevoir le faisceau d’énergie dévié par le déflecteur (11) et un circuit (13) apte à détecter une déviation d’intensité du faisceau d’énergie photodétecté par le photodétecteur (12).
- Système de surveillance selon la revendication 2, dans lequel l’unité de détection de défauts comprend un collecteur de lumière (14) interposé entre le déflecteur (11) et le photodétecteur (12).
- Système de surveillance selon l’une des revendications 2 et 3, dans lequel ledit circuit (13) est couplé à l’unité de contrôle du système d’irradiation et est configuré pour localiser une déviation d’intensité sur la zone de fabrication.
- Système de surveillance selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel le déflecteur (11) est un miroir parabolique.
- Système de surveillance selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel le déflecteur (11) est monté sur un appareil élévateur (15).
- Système de surveillance selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel dans ladite configuration, l’unité de contrôle du système d’irradiation est configurée pour opérer le système d’irradiation de manière à ce que le faisceau d’énergie présente une puissance inférieure à une puissance de fabrication de l’objet.
- Procédé de surveillance d’un dispositif de fabrication additive comprenant un système d’irradiation configuré de manière à diriger un faisceau d’énergie en direction d’une zone de fabrication, caractérisé en ce qu’il comporte les étapes consistant à :
a) opérer le système d’irradiation suivant une configuration correspondant à un balayage de l’intégralité de la zone de fabrication par le faisceau d’énergie ;
b) dévier le faisceau d’énergie avant qu’il n’atteigne la zone de fabrication ;
c) évaluer une propriété du faisceau d’énergie dévié par le déflecteur - Produit programme d’ordinateur comprenant des instructions de code de programme pour l’exécution des étapes a) et c) du procédé selon la revendication 8 lorsque ledit programme est exécuté sur un ordinateur.
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Effective date: 20211224 |
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