FR3116454A1 - Procédé de fabrication additive ou de rechargement de pièces métalliques par amenée de fil - Google Patents

Procédé de fabrication additive ou de rechargement de pièces métalliques par amenée de fil Download PDF

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Abstract

L’invention concerne un procédé de fabrication additive ou de rechargement de pièces métalliques par amenée de fil, lors duquel du fil métallique d’apport (2) est amené à l’aide d’une tête de distribution (1) de fil et est fondu à l’aide d’une source d’énergie de façon à être déposé sur un substrat (3), la tête (1) comportant des moyens d’alimentation en fil (2) aptes à faire varier la vitesse d’alimentation du fil ainsi que la position de l’extrémité du fil (2), caractérisé en ce que la longueur de fil sorti, c’est-à-dire la longueur de fil (2) comprise entre la tête (1) et l’extrémité libre dudit fil (2), est déterminée à l’aide de moyens optiques, la longueur de fil sorti étant ajustée ou régulée, à l’aide des moyens d’alimentation en fil de la tête (1). Figure à publier avec l’abrégé : [Fig. 4]

Description

Procédé de fabrication additive ou de rechargement de pièces métalliques par amenée de fil
Domaine technique de l’invention
L’invention concerne un procédé de fabrication additive ou de rechargement de pièces métalliques par amenée de fil.
Etat de la technique antérieure
La fabrication additive ou le rechargement de pièces est réalisé par ajout de matière, généralement couche par couche, contrairement aux méthodes de fabrication traditionnelles, telles que l’usinage, la forge ou la fonderie, qui sont soustractives ou de formage.
La réalisation d’une pièce couche par couche permet de réaliser aisément des pièces creuses ou de forme complexe. L’épaisseur des couches est fonction de la technologie utilisée et des paramètres de fabrication. Une fois la pièce fabriquée, celle-ci subit généralement un traitement thermique de détensionnement et des opérations de parachèvement, tels qu’un usinage ou un polissage, en vue d’obtenir la pièce finale.
Plusieurs technologies de fabrication additive peuvent être mises en œuvre pour la fabrication de pièces métalliques.
Une première technologie est la projection de liant (binder jetting, en anglais), qui est un procédé de fabrication additive dans lequel un agent de liaison liquide est déposé de manière sélective pour assembler les matériaux poreux.
Une deuxième technologie est la fusion sur lit de poudre (powder bed fusion, en anglais), qui est un procédé de fabrication additive dans lequel l’énergie thermique fait fondre de manière sélective certaines zones d’un lit de poudre.
Une troisième technologie est le dépôt de matière sous énergie concentrée (direct energy deposition, en anglais), qui est un procédé de fabrication additive dans lequel l’énergie thermique focalisée est utilisée pour faire fondre les matériaux pendant leur dépôt.
Enfin, une quatrième technologie est la stratification de couches (sheet lamination, en anglais), qui est un procédé de fabrication additive dans lequel des couches de matériau sont liées pour former une pièce.
Les matières premières mises en œuvre peuvent être des liquides, des poudres, des fils ou des plaques. Les technologies mettant en œuvre des fils sont généralement des technologies de soudage ou de rechargement qui sont utilisées en fabrication additive. La source d’énergie peut être un laser, un faisceau d’électrons ou un arc électrique.
L’intérêt majeur de l’utilisation d’un fil est le taux de dépôt, qui est largement supérieur à celui obtenu avec des technologies de type lit de poudre. Un autre avantage est la possibilité de réaliser des pièces de grandes dimensions. Par ailleurs, le coût de la machine, par exemple un robot articulé équipé d’une torche de type MIG-MAG, est plus faible que les machines nécessaires à l’utilisation de lits de poudre par exemple.
Le procédé de fabrication additive par amenée de fil appartient à la famille des technologies par dépôt de matière sous énergie concentrée.
Lors d’un tel procédé, du fil est amené à l’aide d’une buse ou tête de distribution en regard d’un substrat, le fil étant fondu à l’aide d’une source d’énergie telle qu’un laser ou un faisceau d’électron, sous une atmosphère protectrice contrôlée par exemple. Le métal d’apport du fil forme alors un bain fondu qui, après solidification, forme une couche de dépôt métallique sur le substrat. Plusieurs couches successives sont ainsi superposées.
Plusieurs paramètres du procédé de fabrication additive par amenée de fil doivent être maîtrisés lors de la fabrication. Parmi ces paramètres, on peut notamment citer la puissance de la source d’énergie et la distribution de puissance dans la tâche focale, la distance focale, la vitesse d’amenée du fil, le diamètre du fil, l’angle entre le fil et la tête de distribution du fil, le point d’impact du fil, la longueur de fil sorti (ou stick-out en anglais), la direction d’amenée du fil et la vitesse de dépôt, c’est-à-dire la vitesse de déplacement de la tête et du fil par rapport au substrat.
Il a été constaté que la longueur de fil sorti, c’est-à-dire la distance entre la tête et le point de contact entre le fil et le bain en fusion, peut varier de façon non contrôlée en cours de fabrication, ce qui peut notamment provoquer une chauffe excessive de la tête liée aux réflexions laser, à l’irradiation du bain de fusion et/ou du rechargement en cours. Cette chauffe provoque une dilatation de la tête et donc une variation de ses dimensions.
Par ailleurs, en fin de rechargement ou après un arrêt du procédé, le fil peut former une boule à son extrémité. Cette boule de matériau fusionné peut remonter par capillarité le long du fil et donc réduire la longueur du fil sorti. Il est alors nécessaire de dévider le fil jusqu’à la bonne longueur afin d’éliminer cette boule, puis de recaler la bonne valeur de la longueur du fil sorti manuellement, ce qui est fastidieux.
On notera que, en cours de procédé, une variation de hauteur du substrat peut entrainer une variation de longueur de fil sorti car le bain de fusion peut se retrouver dans une position plus ou moins haute par rapport à la position nominale de la tête.
De telles variations de longueur de fil sorti peuvent avoir plusieurs conséquences :
- une dégradation des composants de la tête,
- une apparition accrue de défauts dans la matière déposée, et
- une instabilité du procédé pouvant aller jusqu’à l’arrêt du procédé.
L’invention vise un procédé de fabrication additive par amenée de fil permettant de contrôler et d’ajuster efficacement et en temps réel la longueur de fil sorti.
Présentation de l’invention
A cet effet, l’invention concerne un procédé de fabrication additive ou de rechargement de pièces métalliques par amenée de fil, lors duquel du fil métallique d’apport est amené à l’aide d’une tête de distribution de fil et est fondu à l’aide d’une source d’énergie de façon à être déposé sur un substrat, la tête comportant des moyens d’alimentation en fil aptes à faire varier la vitesse d’alimentation du fil ainsi que la position de l’extrémité du fil, caractérisé en ce que la longueur de fil sorti, c’est-à-dire la longueur de fil comprise entre la tête et l’extrémité libre dudit fil, est déterminée à l’aide de moyens optiques, la longueur de fil sorti étant ajustée ou régulée, à l’aide des moyens d’alimentation en fil de la tête.
Un tel ajustement ou régulation consiste à déterminer de façon dynamique, c’est-à-dire « en temps réel », l’écart entre la valeur déterminée de la longueur de fil sorti et une valeur de référence, puis à corriger ladite valeur déterminée de façon à réduire cet écart. L’écart est également appelé erreur. Une telle régulation met en œuvre une boucle de rétroaction.
La période de temps entre deux ajustements successifs est par exemple comprise entre quelques millisecondes à quelques dixièmes de secondes.
L’utilisation de moyens de mesure optiques, par exemple une caméra, permet d’automatiser de façon simple, fiable et à moindre frais, une telle régulation. Les moyens de mesure optiques permettent également de réaliser une mesure à distance, sans interférer avec le dépôt de matière et sans être soumis aux températures élevées à proximité de la zone de dépôt.
Une telle régulation peut consister en un ajustement de la vitesse d’alimentation en fil. On notera qu’un tel ajustement peut prendre en compte d’autres paramètres du procédé, tel que la vitesse de déplacement de la tête par rapport au substrat ou le diamètre du fil, par exemple.
La position de la tête et/ou de l’extrémité du fil par rapport à un bâti fixe peut être mesurée à l’aide des moyens optiques, ladite position étant ajustée ou régulée à partir d’une valeur de référence.
La source d’énergie peut être un laser, un faisceau d’électrons ou un arc électrique.
La caméra peut être fixée audit bâti, directement ou non.
La caméra peut être une caméra dite rapide, c’est-à-dire capable de fournir des images à une fréquence supérieure à 500 images par seconde.
Le procédé peut comporter une étape consistant à adapter la position de ladite tête de distribution par rapport au substrat, par l’intermédiaire de moyens de positionnement de la tête de distribution.
Le procédé peut comporter une étape de détection de la position réelle de la tête et une étape de détection de la position réelle de l’extrémité libre du fil, à partir d’au moins une image issue d’au moins une caméra.
Ces deux étapes peuvent être simultanées ou non.
Le procédé peut comporter une étape de détection d’un premier motif de pixels sur l’image correspondant à la position réelle de la tête sur l’image et une étape de détection d’un second motif de pixels sur l’image correspondant à la position réelle de l’extrémité du fil sur l’image.
Les premier et second motifs peuvent être détectés sur deux zones différentes de l’image, ou sur deux images issues de deux caméras, chaque caméra pointant une zone différente de la machine, par exemple.
La distance réelle de fil sorti peut alors être calculée sur la base de la position réelle de la tête et de la position réelle de l’extrémité du fil.
Le procédé peut comporter une étape de calibration lors de laquelle la position de la tête et la position de l’extrémité du fil sont détectées sur l’image, lesdites positions formant des positions de référence de la tête et de l’extrémité du fil.
L’étape de calibration peut être réalisée avant fabrication ou rechargement de la pièce par fusion et dépôt du fil d’apport sur le substrat.
Les positions réelles de la tête et de l’extrémité du fil peuvent ainsi être comparées aux positions de référence lors des étapes de régulation précitées. L’ajustement de longueur de fil sorti peut alors être obtenu par recalage des positions réelles de la tête et de l’extrémité du fil sur les positions de référence.
Il est également possible de calculer une valeur de référence du fil sorti à partir des positions de référence de la tête et de l’extrémité du fil, de calculer une valeur réelle de fil sorti à partir des positions réelles de la tête et de l’extrémité du fil en cours de fabrication, et d’ajuster la longueur réelle de fil sorti par rapport à la longueur de référence de fil sorti.
Le procédé peut comporter une étape d’arrêt de la fabrication ou du rechargement de la pièce dans le cas où la longueur de fil sorti est située en dehors d’une plage de tolérance.
Brève description des figures
est une vue schématique d’une tête de distribution et d’un fil d’apport, dans une première position nominale,
est une vue correspondant à la , illustrant une autre position, correspondant à un décalage de la position du fil d’apport par rapport à la position nominale,
est une vue correspondant à la , illustrant une autre position, correspondant à un décalage de la position du fil d’apport et de la tête de distribution par rapport aux positions nominales de ces éléments,
est une vue schématique représentant les pixels des images obtenues à l’aide d’une caméra, de l’extrémité de la tête de distribution et de l’extrémité du fil, dans une position nominale,
est une vue correspondant à la , illustrant le cas d’un éloignement entre l’extrémité de la tête de distribution, d’une part, et l’extrémité du fil d’apport ou du substrat, d’autre part,
est une vue correspondant à la , illustrant le cas d’un rapprochement entre l’extrémité de la tête de distribution, d’une part, et l’extrémité du fil d’apport ou du substrat, d’autre part,
est une vue correspondant à la , illustrant le cas d’un décrochement du fil d’apport par rapport au substrat,
est une vue schématique de la tête de distribution, du fil d’apport et du substrat, dans une position à recaler,
est une vue correspondant à la , illustrant une première étape de recalage,
est une vue correspondant à la , illustrant une seconde étape de recalage.
Description détaillée de l’invention
La représente une vue schématique d’une tête de distribution 1, également appelée buse, et d’un fil d’apport 2 amené par la tête de distribution 1, dans une position dite nominale, c’est-à-dire dans une position idéale, respectant les spécifications ou préconisations pour une situation donnée par rapport à un substrat 3 (voir figures suivantes). La tête 1 et le fil d’apport 2 sont destinés à un procédé de fabrication additive ou de rechargement de pièces métalliques.
Lors d’un tel procédé, du fil 2 est amené à l’aide de la tête de distribution 1 en regard du substrat 3, le fil 2 étant fondu à l’aide d’une source d’énergie telle qu’un laser ou un faisceau d’électron, sous une atmosphère protectrice contrôlée par exemple. Le métal d’apport du fil 2 forme alors un bain fondu qui, après solidification, forme une couche de dépôt métallique sur le substrat 3. Plusieurs couches successives sont ainsi superposées.
Afin de maîtriser l’apport de matière, il convient notamment de maîtriser la position de la tête de distribution 1 et la position de l’extrémité libre du fil d’apport 2.
La tête de distribution 1 est équipée de moyens de positionnement (non représentés) aptes à ajuster la position de la tête de distribution 1 par rapport au substrat 3. La tête de distribution 1 comporte en outre des moyens d’alimentation en fil aptes à faire varier la vitesse d’alimentation du fil d’apport 2 ainsi que la position de l’extrémité du fil 2.
Des moyens optiques formés par au moins une caméra dite rapide, sont utilisés pour déterminer la position de l’extrémité libre, ici l’extrémité basse, de la tête de distribution 1, et la position de l’extrémité libre, ici l’extrémité basse, du fil d’apport 2. Ces positions sont représentées respectivement par des curseurs 4, 5 en forme de croix sur les figures. La distance nominale, c’est-à-dire souhaitée d’après les spécifications, entre ces deux positions ou curseurs est notée Dn.
La illustre le cas où une dérive du procédé entraîne, à un instant t, une augmentation de la distance entre ces deux curseurs 4, 5. Dans ce cas, l’augmentation est due à une augmentation notée df de la longueur du fil 2, l’extrémité libre de la tête de distribution 1 étant maintenue à sa position nominale. Une telle dérive peut par exemple être due être une variation de l’épaisseur du substrat 3.
La illustre le cas où une dérive du procédé entraîne, à un instant t, une modification de la distance entre les deux curseurs 4, 5 et de la position desdits curseurs 4, 5 due, d’une part, à une augmentation df de la longueur du fil 2, et à un éloignement db de la position de l’extrémité libre de la tête de distribution 1 par rapport à la position nominale.
La illustre le cas d’une dérive du procédé entraînant un rapprochement de l’extrémité inférieure de la tête de distribution 1 et du substrat 3. Les figures A1 et B1 illustrent respectivement les zones des images de la caméra représentant la zone d’extrémité libre de la tête de distribution 1 et la zone d’extrémité libre du fil 2. Cette figure illustre en particulier une étape de calibrage réalisée par exemple en début de fabrication ou de rechargement d’une pièce lors de laquelle il s’agit de déterminer les positions nominales à maintenir de la tête de distribution 1, du fil et du substrat 3.
En particulier, sur ces figures, les zones pleines illustrent schématiquement les positions réelles de la tête de distribution 1, du fil et du substrat 3.
Les pixels référencés 7 et illustrés schématiquement par un premier type de hachures, sont situés en dehors d’une zone de calibrage.
Les pixels référencés 8 et illustrés schématiquement par un deuxième type de hachures, sont des pixels pleins ou devant être pleins, par exemple dont la valeur d’intensité doit correspondre à une gamme de valeurs déterminée signifiant que l’élément considéré (tête de distribution 1, fil, substrat 3) est vu par ce pixel.
Les pixels référencés 9 et illustrés schématiquement par un troisième type de hachures, sont des pixels vides ou devant être vides dans la zone de calibrage, par exemple dont la valeur d’intensité doit correspondre à une gamme de valeurs déterminée signifiant qu’aucun élément (tête de distribution 1, fil, substrat 3) n’est vu par ce pixel.
Enfin, les pixels référencés 10 et non hachurés sont des pixels vides ou ne correspondant pas aux nuances de couleurs recherchés par le capteur.
Les pixels vus comme pleins 8 dans les zones A1 et B1 concernées forment des motifs spécifiques dont les positions sur les images sont représentatives des positions réelles, au moment de la phase de calibration, des éléments concernés (tête de distribution 1, fil substrat 3). A partir de ces motifs, des curseurs 4, 5 sont déterminés et sont représentés sur les zones A1 et B1. Dans le cas de la , les curseurs 4, 5 sont positionnés aux endroits dits nominaux, les positions des curseurs 4, 5 étant enregistrées et formant des positions de référence (A2, B2).
La illustre le cas d’un rapprochement entre la tête de distribution 1 et le substrat 3, par rapport à la distance de référence précitée entre les deux curseurs 4, 5. Dans un tel cas, l’extrémité basse de la tête de distribution 1 (A1) et l’extrémité basse du fil 2 (B1) sont décalées, respectivement vers le bas et vers le haut par rapport aux zones de référence. Les curseurs 4, 5 des positions réelles sont ainsi recalculés (A2 et B2) et la position de la tête de distribution 1 et du fil 2 sont adaptées en conséquence, de manière à maintenir une distance souhaitée entre les deux curseurs 4, 5. Une telle régulation peut consister en un ajustement de la vitesse d’alimentation en fil 2 et un ajustement de la position de la tête de distribution 1.
La illustre le cas d’un éloignement de la tête de distribution 1 et du substrat 3, par rapport à la distance de référence entre les deux curseurs 4, 5. Comme précédemment, dans un tel cas, l’extrémité basse de la tête de distribution 1 (A1) et l’extrémité basse du fil (B1) sont décalées, respectivement vers le haut et vers le bas par rapport aux zones de référence. Les curseurs 4, 5 des positions réelles sont ainsi recalculés (A2 et B2) et la position de la tête de distribution 1 et du fil 2 sont adaptées en conséquence, de manière à maintenir une distance souhaitée entre les deux curseurs 4, 5. Comme précédemment, une telle régulation peut consister en un ajustement de la vitesse d’alimentation en fil 2 et un ajustement de la position de la tête de distribution 1.
La illustre le cas d’un décrochement du fil 2 par rapport au substrat 3. Dans le cas illustré, l’extrémité basse de la tête de distribution 1 (A1) et l’extrémité basse du fil 2 (B1) sont décalées, respectivement vers le haut et vers le haut par rapport aux zones de référence. Les curseurs 4, 5 des positions réelles sont ainsi recalculés et/ou une discontinuité 11 entre le fil 2 et le substrat 3 peut être détectée (A2 et B2). La position de la tête de distribution 1 et du fil 2 sont adaptées en conséquence, de manière à maintenir une distance souhaitée entre les deux curseurs 4, 5 et à assurer le bon positionnement du fil 2 par rapport au substrat 3. Comme précédemment, une telle régulation peut consister en un ajustement de la vitesse d’alimentation en fil 2 et un ajustement de la position de la tête de distribution 1.
La illustre le cas où la tête de distribution 1 est trop proche du substrat 3. Les images issues de la caméra permettent alors de détecter que la position de l’extrémité basse de la tête de distribution 1 et de l’extrémité basse du fil 2 sont trop basses et que la distance entre ces deux positions (ou curseurs 4, 5) est trop faible pour assurer une mise en œuvre correcte du procédé de fabrication ou de rechargement de la pièce. Afin de corriger ces positions, la tête de distribution 1 est remontée, c’est-à-dire éloignée du substrat 3 ( ), puis le fil 2 est descendu, c’est-à-dire rapproché du substrat 3, jusqu’à ce que l’extrémité du fil 2 soit à proximité du substrat 3 ( ).

Claims (7)

  1. Procédé de fabrication additive ou de rechargement de pièces métalliques par amenée de fil, lors duquel du fil métallique d’apport (2) est amené à l’aide d’une tête de distribution (1) de fil et est fondu à l’aide d’une source d’énergie de façon à être déposé sur un substrat (3), la tête (1) comportant des moyens d’alimentation en fil (2) aptes à faire varier la vitesse d’alimentation du fil ainsi que la position de l’extrémité du fil (2), caractérisé en ce que la longueur de fil sorti, c’est-à-dire la longueur de fil (2) comprise entre la tête (1) et l’extrémité libre dudit fil (2), est déterminée à l’aide de moyens optiques, la longueur de fil sorti étant ajustée ou régulée, à l’aide des moyens d’alimentation en fil de la tête (1).
  2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la position de la tête (1) et/ou de l’extrémité du fil (2) par rapport à un bâti fixe est mesurée à l’aide des moyens optiques, ladite position étant ajustée ou régulée à partir d’une valeur de référence.
  3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu’il comporte une étape consistant à adapter la position de ladite tête de distribution (1) par rapport au substrat (3), par l’intermédiaire de moyens de positionnement de la tête de distribution (1).
  4. Procédé selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le procédé comporte une étape de détection de la position réelle de la tête (1) et une étape de détection de la position réelle de l’extrémité libre du fil (2), à partir d’au moins une image issue d’au moins une caméra.
  5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu’il comporte une étape de détection d’un premier motif de pixels sur l’image correspondant à la position réelle de la tête (1) sur l’image et une étape de détection d’un second motif de pixels sur l’image correspondant à la position réelle de l’extrémité du fil (2) sur l’image.
  6. Procédé selon l’une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu’il comporte une étape de calibration lors de laquelle la position de la tête (1) et la position de l’extrémité du fil (2) sont détectées sur l’image, lesdites positions formant des positions de référence de la tête (1) et de l’extrémité du fil (2).
  7. Procédé selon l’une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu’il comporte une étape d’arrêt de la fabrication ou du rechargement de la pièce dans le cas où la longueur de fil sorti est située en dehors d’une plage de tolérance.
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