FR3121373A1

FR3121373A1 - Procédé de fabrication additive d’une pièce métallique

Info

Publication number: FR3121373A1
Application number: FR2103499A
Authority: FR
Inventors: Serge Prigent
Original assignee: Institut de Recherche Technologique Jules Verne
Current assignee: Institut de Recherche Technologique Jules Verne
Priority date: 2021-04-06
Filing date: 2021-04-06
Publication date: 2022-10-07
Also published as: EP4319934A1; WO2022214399A1

Abstract

Procédé de fabrication additive d’une pièce métallique Procédé de fabrication additive d’une pièce métallique (50) sur un substrat (2), par apport d’au moins un métal en fusion, en couche par couche, le procédé comportant les étapes suivantes : a) Etape a : déposer en couche par couche le métal en fusion, b) Etape b : simultanément à l’étape a), refroidir, à l’aide d’un refroidisseur (7) mobile relativement au substrat (2), une zone de refroidissement (8) située au moins autour de la dernière couche déposée (n-1) avant la couche en cours de dépôt (n). Figure pour l’abrégé : Fig. 2

Description

Procédé de fabrication additive d’une pièce métallique

La présente invention concerne la fabrication additive d’une pièce métallique. En particulier, l’invention concerne un procédé de fabrication additive d’une pièce métallique sur un substrat métallique, en particulier un substrat de grande longueur. L’invention concerne également une installation de fabrication additive pour la mise en œuvre du procédé ainsi qu’une pièce métallique obtenue par un tel procédé.

Pour réaliser une pièce métallique sur un substrat par fabrication additive, il est connu de déposer, en couche par couche, sur le substrat, un métal en fusion. Cependant, plusieurs problèmes se posent, notamment pour les pièces de grande longueur, fabriquées sur des substrats de grande longueur également.

Un de ces problèmes est que plus on s’éloigne du substrat vers le haut, au fur et à mesure du dépôt des couches de métal, moins la chaleur est évacuée dans le substrat. Or, cette chaleur doit être dissipée sinon on assiste à un effondrement de la matière déposée. En effet, une mauvaise gestion des flux thermiques conduit à un déséquilibre entre la puissance injectée et la puissance dissipée. La conséquence sur le système est qu’il devient anisotherme par une évolution de la température jusqu’à atteindre des surchauffes rendant impossible la gestion de la température entre deux couches déposées. Lorsque les métaux utilisés sont des alliages de titane ou des superalliages base nickel, ceux-ci sont réfractaires et ont des coefficients de conduction thermique respectivement de l’ordre de 20 W.m^- ¹.K^-1et 10 W.m^-1.K^-1. Pour éviter cette surchauffe et cet effondrement, il est ainsi nécessaire d’attendre après le dépôt d’une couche, par exemple plusieurs minutes, avant de déposer la couche suivante, ce qui augmente considérablement le temps de fabrication additive d’une pièce. Il est encore connu de réduire l’énergie de soudage, ce qui présente un risque de collage du métal par manque de dilution du substrat en lieu et place de soudage et/ou d’utiliser une sole refroidie fixe, consistant en une plaque ou un barreau de cuivre, mais la sole fixe autorise une seule géométrie.

Un autre de ces problèmes est lié à l’oxydation de la matière métallique en fusion. Les métaux utilisés sont en effet par exemple les alliages de titane très réactifs à l’oxygène, lorsqu’ils sont à l’état liquide ou à l’état solide à une température supérieure à 200°C, ou encore les superalliages base nickel réactifs à l’oxygène à l’état liquide principalement. Il est donc nécessaire de réaliser la fabrication additive métallique à l’abri de l’oxygène, de l’hydrogène, du carbone et de l’azote. Pour résoudre ce problème, il est connu d’utiliser des enceintes à vide ou des enceintes ou cloches d’inertage ou une boîte à gants, c’est-à-dire une cloche avec manchons de caoutchouc de manipulation ou un trainard c’est-à-dire un diffuseur de gaz inerte. Les enceintes, de grandes dimensions, augmentent considérablement les coûts et contraintes de la fabrication additive.

Enfin, un autre problème identifié est relatif à la création de déformations liées à un gradient important de température entre la couchen-1précédemment déposée et la couchenen cours de dépôt. En effet, la relaxation locale des contraintes à haute température, supérieure à 700°C, conduit à des contraintes de traction après refroidissement, selon la courbe type SATOH. L’essai SATOH revient à établir une courbe de contraintes en fonction de la température sur un cycle de chauffage puis refroidissement représentatif d’une passe de soudage (thermique). Cet essai se réalise à déformation nulle ou faible. Il est connu de compenser partiellement les déformations observées par une surépaisseur d’usinage, ce qui impacte le bilan économique. Par ailleurs, il est impossible de corriger les fortes déformations par un usinage et la pièce est alors mise au rebut. Il est également connu de réaliser des plans d’expériences sur l’impact entre largeur, hauteur et dilution de la couche déposée. La diminution de l’énergie par exemple est souvent favorable techniquement mais affecte le taux de dépôt et donc dégrade le bilan économique. La maîtrise des champs de température est donc un problème technique majeur lors de la fabrication additive métallique.

L’invention a ainsi pour objectif de proposer un procédé de fabrication additive d’une pièce métallique qui permette de maîtriser les champs de température, de réduire les contraintes, les coûts et le temps nécessaires pour la fabrication additive de la pièce, notamment si celle-ci est de grande longueur.

Procédé de fabrication additive

L’invention y parvient en tout ou partie grâce à un procédé de fabrication additive d’une pièce métallique sur un substrat, par apport d’au moins un métal en fusion, en couche par couche, le procédé comportant les étapes suivantes :

Etape a : déposer en couche par couche le métal en fusion,
Etape b : simultanément à l’étape a), refroidir, à l’aide d’un refroidisseur mobile relativement au substrat, une zone de refroidissement située au moins autour de la dernière couche déposée (n-1) avant la couche (n) en cours de dépôt, de préférence au moins autour des couches allant de la couche déposée (n- 5) jusqu’à la dernière couche déposée (n-1) avant la couche (n) en cours de dépôt.

Grâce à l’invention, on bénéficie d’un refroidisseur qui peut se déplacer relativement au substrat au moins autour de la couche déposée avant la couche en cours de dépôt et éventuellement de la ou des couches précédemment déposées jusqu’à la cinquième couche précédemment déposée, par exemple, et éventuellement de la couche en cours de dépôt. Cela permet de maîtriser la température de cette ou ces couches, en particulier de dissiper la chaleur pour éviter la surchauffe.

Par « couche en cours de dépôt », on entend la couche dont le dépôt dure depuis le début jusqu’à la fin du dépôt de la couche et on considère qu’il n’y a pas de période de transition entre deux couches déposées, mais qu’il y a une continuité. Ainsi, il y a toujours une couche en cours de dépôt et une dernière couche déposée (à partir de la deuxième couche en cours de dépôt), indépendamment de la mise en œuvre continue ou non du procédé.

Le refroidissement selon l’étape b) peut commencer dès le dépôt de la deuxième couche. Le procédé peut néanmoins comporter une étape consistant à refroidir la première couche déposée lorsqu’elle est unique et en cours de dépôt.

La zone de refroidissement comporte de préférence au moins une zone périphérique de la dernière couche déposéen-1avant la couche en cours de dépôtn, transversalement à celle-ci, ainsi qu’une zone périphérique d’au moins une partie, par exemple entre 1 et 5 couches, sur une hauteur comprise entre 2 et 10 mm environ, des n-1 couches déposées avant la couche en cours de dépôtn, et/ou une zone située au-dessus d’une zone périphérique de la dernière couche déposéen-1sur une hauteur comprise entre 0 et 10 mm environ,nétant notamment compris entre 1 et 5.

Par « refroidisseur mobile relativement au substrat », on entend que trois modes de réalisation sont possibles : le refroidisseur est mobile, en particulier se déplace dans une direction, par exemple vers le haut, et le substrat reste fixe ; ou le refroidisseur reste fixe et le substrat est mobile, en particulier se déplace dans une direction, par exemple vers le bas ; ou bien encore le refroidisseur et le substrat sont tous deux mobiles, l’un se déplaçant dans une direction, par exemple vers le haut et l’autre se déplaçant dans la direction opposée, par exemple vers le bas. Le refroidisseur peut être déplacé à l’aide d’un automate ou d’un robot et/ou être solidaire du matériel de soudage pour se déplacer relativement au substrat. .

Le refroidisseur est de préférence fixe relativement à la dernière couche déposée avant la couche en cours de dépôt et/ou relativement à la couche en cours de dépôt. On peut encore indiquer que le refroidisseur peut être mobile de manière synchronisée avec la dernière couche déposée avant la couche en cours de dépôt et/ou avec la couche en cours de dépôt.

Le refroidisseur peut être monobloc. Dans ce cas, le refroidisseur peut présenter une forme pouvant épouser au moins partiellement la forme de la couche en cours de dépôt, à distance de celle-ci.

En variante, le refroidisseur peut comporter une pluralité de parois, notamment des plaques, notamment entre deux et huit, pouvant être indépendantes, reliées entre elles ou non, et de préférence solidaires en déplacement. Dans le cas où le refroidisseur comporte une pluralité de plaques, on peut le désigner comme étant multi-plaque. Une plaque peut avoir pour dimensions, par exemple de 50mm * 10 mm * 5 mm environ. Que le refroidisseur soit monobloc ou multi-plaque, notamment lorsque le refroidisseur est multi-plaque, on peut ajuster la distance du refroidisseur vis-à-vis de la matière métallique des couches concernées pour avoir la température souhaitée pour les, notamment chaque, couche(s).

Le refroidisseur peut comporter une ou plusieurs parois formées par des plaques de cuivre intégrant des circuits refroidis par un liquide de refroidissement, notamment de l’eau ou du fluide caloporteur. La ou les parois du refroidisseur peuvent être formées par les circuits eux-mêmes disposés en serpentin.

Le refroidisseur appartient avantageusement à un système de refroidissement à puissance contrôlée comportant également un système de contrôle.

La température du liquide de refroidissement du refroidisseur, lorsque présente, est avantageusement contrôlée par le système de contrôle du système de refroidissement.

La puissance de soudage, généralement de 5kW, peut varier de 500 W à 50 kW selon les installations. On cherchera à dissiper entre 20% et 90 % de l’énergie ce qui correspond à environ une énergie à évacuer par exemple comprise entre 3kW et 50kW environ.

La température du substrat en amont et au niveau des couches allant par exemple à une distance comprise entre 1 mm et 50 mm, notamment entre 5 mm et 15 mm, de préférence égale à 10 mm environ en amont de la couche en cours de dépôt n jusqu’à la couche n-5 est avantageusement contrôlée par le système de refroidissement. En particulier, la température du substrat, notamment dans la zone autour de la dernière couche déposée avant la couche en cours de dépôt et/ou la couche en cours de dépôt peut être contrôlée pour être comprise entre la température ambiante et 600°C. Il est à noter que le front thermique devance effet la couche n d’une distance comprise entre 1 mm et 50 mm, notamment entre 5 mm et 15 mm, de préférence égale à 10 mm environ.

L’étape a) peut être mise en œuvre de telle sorte que les couches sont déposées selon un plan non parallèle au substrat.

Le plan des couches déposées à l’étape a) forme alors, de manière préférée, un angle sensiblement orthogonal par rapport au substrat.

La première couche est de préférence déposée sur un substrat secondaire fixé sur le substrat, notamment à proximité d’une extrémité de celui-ci et s’étendant dans un plan sensiblement parallèle au plan des couches qui seront déposées et de préférence orthogonal au substrat. Chaque couche comporte avantageusement une extrémité, c’est-à-dire un bord de couche, soudée au substrat au moment de son dépôt.

Le refroidisseur peut être mobile selon un axe parallèle au substrat relativement à ce dernier, notamment parallèle à un axe longitudinal du substrat. Dans ce cas, le substrat peut comporter des points d’appui pour le déplacement relatif du refroidisseur. Le substrat peut former en lui-même une paroi fixe fermant d’un côté la zone de refroidissement.

Le procédé peut comporter l’étape consistant à injecter, à l’aide d’un diffuseur, un gaz inerte dans une cellule d’inertage incluant la zone de refroidissement pendant tout ou partie de la mise en œuvre des étapes a) et b). Le gaz inerte peut être injecté au moins dans la zone de refroidissement. Le gaz peut être diffusé à partir d’une zone située sous la zone de refroidissement, vers le haut.

Grâce à une telle étape, la zone pour l’inertage peut être réduite, tout en permettant d’éviter l’oxydation du métal déposé. Cela aboutit à réduire la quantité de gaz injecté au seul volume autour de la zone de refroidissement, ce qui permet de diminuer d’une part le coût en gaz et d’autre part le temps de remplissage par le gaz puisque le volume à remplir est réduit, temps pendant lequel on ne produisait pas dans l’art antérieur. De plus, on peut accéder à la pièce et à la torche, même pendant le dépôt de matière fondue.

La cellule d’inertage peut comprendre et entourer la zone de refroidissement et au moins partiellement le substrat. La cellule d’inertage peut se déployer au fur et à mesure de la mise en œuvre du procédé. Pour cela, la cellule d’inertage peut comporter au moins une cloison, notamment une cloison mobile relativement au substrat et/ou coulissante et/ou à soufflet.

Lorsque la cellule d’inertage comporte une cloison mobile relativement au substrat, cette dernière et/ou le substrat peu(ven)t se déplacer, tout au long du procédé de fabrication, de manière à ce que l’extrémité supérieure de la cloison reste à une distance prédéterminée, sensiblement fixe, de la couche en cours de dépôt.

Lorsque la cellule d’inertage comporte au moins une cloison coulissante, cette dernière peut être montée sur des rails et coulisser autour de la pièce en cours de fabrication pendant la durée du procédé. La cellule d’inertage peut encore comporter plusieurs cloisons coulissantes, qui coulissent une par une, par rapport aux autres, pour se déployer autour de la pièce au fur et à mesure de la mise en œuvre du procédé. Ainsi, une unique cloison peut être déployée au départ, puis, avec l’avancement du procédé, une deuxième cloison est déployée pour participer à délimiter la cellule d’inertage, en conservant une distance prédéterminée, sensiblement fixe, entre l’extrémité supérieure de la cellule d’inertage et la dernière couche déposée, etc. jusqu’au dépôt de la dernière couche de la pièce.

Lorsque la cellule d’inertage comporte une cloison à soufflet, le soufflet est, au début du procédé, peu ou pas déployé. Puis, au fur et à mesure de la mise en œuvre du procédé, la cloison à soufflet est déployée, notamment vers le haut, jusqu’à atteindre un état entièrement déployé à la fin de la réalisation de la pièce, en particulier en conservant une distance sensiblement fixe prédéterminée entre l’extrémité supérieure de la cloison à soufflet et la dernière couche déposée.

La distance sensiblement fixe prédéterminée entre l’extrémité supérieure de la cellule d’inertage et la dernière couche déposée peut être par exemple comprise entre 10 et 50 cm.

Le gaz inerte peut être refroidi à une température inférieure à la température ambiante à l’aide d’un groupe frigorigène ou par détente. La température du gaz inerte peut être inférieure d’au moins 100 °C à la température de la zone de refroidissement. Le débit de gaz inerte peut être supérieur ou égal à 1 m³/h. Le gaz peut être projeté sur la zone de refroidissement avec une vitesse d’au moins 0,001 m/s.

Le gaz inerte est de préférence choisi dans le groupe constitué par l’argon, l’hélium et l’azote. L’argon est environ 40% plus dense que l’air. Le diffuseur est par exemple un fritté métallique réfractaire ou en céramique et permet de créer une zone gazeuse exempte d’air et compatible avec une activité de soudage du titane, de ses alliages et des alliages de nickel.

Un ou plusieurs rideaux souples peuvent s’étendre par exemple à un ou plusieurs centimètres voire mètres autour de tout ou partie de la cellule d’inertage.

Grâce à l’invention, on délimite une zone relativement réduite autour de la pièce où l’on contrôle à la fois la température et le gaz présent.

Le métal est par exemple choisi dans le groupe constitué par le titane, les alliages de titane, les superalliages base nickel et les aciers.

Le métal peut être amené avant fusion sous forme de poudre, de fil, de feuillard, de barreau, ou tout autre forme.

On utilise par exemple une torche à souder pour déposer le métal en fusion à l’étape a). La technique peut encore mettre en œuvre un faisceau d’électrons, un laser, plasma ou arc.

Il est possible, grâce à l’invention, de réaliser de multiples pièces, en particulier des pièces, complexes ou non, qui sont de grande longueur, par exemple de longueur supérieure à 1 m, jusqu’à 50 m.

Dans un mode de réalisation particulier, la pièce est formée par dépôt de couches d’un premier côté du substrat et par dépôt de couches d’un deuxième côté du substrat, notamment opposé au premier côté. Dans ce cas, le dépôt de couches du premier côté peut être réalisé simultanément au dépôt de couches du deuxième côté. Toujours dans ce cas, le dépôt de couches du premier côté est par exemple réalisé de manière symétrique au dépôt de couches du deuxième côté.

Installation de fabrication additive

L’invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, une installation de fabrication additive pour la fabrication d’une pièce métallique sur un substrat, par apport d’au moins un métal en fusion, notamment pour la mise en œuvre du procédé tel que défini plus haut, l’installation comportant au moins un système d’apport et de dépôt d’un métal en fusion en couche par couche et un système de refroidissement comportant un refroidisseur mobile relativement au substrat délimitant une zone de refroidissement et configuré pour refroidir au moins la zone de refroidissement située au moins autour de la dernière couche déposée avant la couche en cours de dépôt et éventuellement autour de la couche en cours de dépôt.

Le refroidisseur peut être mobile selon un axe parallèle au substrat, relativement à ce dernier.

L’installation peut comporter un diffuseur de gaz inerte apte à diffuser un gaz d’inertage dans une cellule d’inertage comportant au moins la zone de refroidissement.

Le système de refroidissement peut comporter un système de contrôle apte à contrôler la température dans la zone délimitée par le refroidisseur, le système de contrôle étant par exemple apte à contrôler la mobilité selon un ou plusieurs axes du refroidisseur, notamment des parois du refroidisseur et/ou la température du liquide de refroidissement.

Pièce métallique

L’invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, en combinaison avec ce qui précède, une pièce métallique obtenue à l’aide du procédé tel que défini plus haut, réalisée en couche par couche sur le substrat, chaque couche s’étendant dans un plan sensiblement orthogonal au substrat.

L’invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d’exemples de mise en œuvre non limitatifs de celle-ci, et à l’examen du dessin annexé, sur lequel :

la représente de manière schématique et en perspective un exemple d’installation pour la mise en œuvre d’un procédé de fabrication additive d'une pièce métallique selon l'art antérieur,

la représente, de manière schématique, partielle et en perspective, un exemple d’installation selon l’invention, pour la mise en œuvre d’un exemple de procédé de fabrication additive, selon l’invention, d’une pièce métallique sur un substrat, au début de celui-ci,

la est une vue similaire à la , après dépôt d’un certain nombre de couches,

la est une vue similaire aux figures 2 et 3 vers la fin de la mise en œuvre du procédé,

la est une vue isolée, schématique et en perspective d’un exemple de refroidisseur monobloc pouvant être utilisé lors du procédé selon l’invention,

la représente de manière schématique, partielle et en perspective, une installation selon l’invention montrant un autre exemple de positionnement du refroidisseur lors de la mise en œuvre du procédé selon l’invention,

la représente de manière schématique et en perspective un autre exemple de mise en œuvre du procédé de fabrication additive selon l'invention,

la représente en vue en coupe longitudinale, schématique et partielle, un exemple d’installation pour la mise en œuvre du procédé selon l’invention,

la est une vue similaire à la de la même installation après dépôt d'un certain nombre de couches,

la illustre de façon isolée et schématique en vue en coupe un exemple de cloison à soufflet pouvant être utilisée lors de la mise en œuvre du procédé selon l'invention,

la représente de manière schématique en vue de dessus un exemple de pièce pouvant être obtenue à l'aide du procédé sur l'invention,

la représente en coupe transversale selon XIV, de manière schématique, la pièce de la , entourée du refroidisseur,

la représente de manière schématique en coupe transversale un autre exemple de pièce pouvant être fabriquée avec le procédé selon l'invention,

la représente de manière schématique en coupe transversale un autre exemple de pièce pouvant être fabriquée avec le procédé selon l'invention, et

la représente de manière schématique en coupe transversale un autre exemple de pièce pouvant être fabriquée avec le procédé selon l'invention.

Description détaillée

Dans la suite de la description, les éléments identiques ou de fonctions identiques portent le même signe de référence. A des fins de concision de la présente description, ils ne sont pas décrits en regard de chacune des figures, seules les différences entre les modes de réalisation étant décrites.

On a illustré à la un exemple de mise en œuvre d'un procédé de fabrication additive utilisé dans l'art antérieur. On dépose sur un substrat S un métal M en fusion, par exemple un fil métallique fondu à l’aide d’une torche à souder, sous forme de couches C déposées les unes sur les autres sur le substrat S, selon l’axe longitudinal X de celui-ci et parallèlement à celui-ci. Le substrat S a une grande longueur, par exemple supérieure à 1 m. Les problèmes présentés précédemment conduisent, après une certaine hauteur de dépôt, à un effondrement de l’empilement des couches, à la création de déformations et/ou nécessitent d’interrompre le procédé après le dépôt de chaque couche.

Les figures 2 à 4 représentent un exemple de mise en œuvre du procédé selon l'invention avec une installation 1 conforme à un mode de réalisation de l'invention pour la réalisation par fabrication additive d’une pièce métallique 50. Il s’agit dans cet exemple de créer une nervure 11 de renfort, ou raidisseur, sur un substrat 2 et le long de celui-ci. Le substrat 2 est de grande longueur, présentant par exemple une longueur supérieure à 1 m. La pièce métallique 50 comporte la nervure 11 et le substrat 2. Une torche à souder dépose du métal fondu M sous forme de couches 14, en couche par couche, pour former la pièce.

L’installation 1 comporte un refroidisseur 5, mobile relativement au substrat 2, mais fixe relativement à la couche 14, diten, en cours de dépôt à un instant donné. Autrement dit, le refroidisseur 5 se déplace au fur et à mesure du dépôt des couches pour être fixe relativement à la couche en cours de dépôt.

Le refroidisseur 5 délimite une zone de refroidissement 8 lors du dépôt des couches 14 comme visible sur les figures 3 et 4, autour au moins de la dernière couche 14 déposée n-1 et éventuellement de la couche 14 en cours de dépôt n afin d'obtenir une température optimale au sein de cette zone de refroidissement 8 et de dissiper la chaleur du métal en fusion M déposé en couche par couche, au fur et à mesure de la construction de la pièce métallique 50.

Dans l’exemple illustré, le refroidisseur 5 délimite une zone de refroidissement 8 qui entoure lesn-5couches 14 déposées avant la couche 14 en cours de dépôtn.La zone de refroidissement 8 comporte au moins une zone périphérique de la dernière couche déposéen-1avant la couche en cours de dépôtn, transversalement à celle-ci, ainsi qu’une zone périphérique d’au moins une partie des n-1 couches, dans cet exemple entre 1 et 5 couches, sur une hauteur comprise entre 2 et 10 mm environ.

Dans l’exemple illustré sur les figures 2 à 4, le refroidisseur 5 comporte une pluralité de parois formant des plaques 6, au nombre de trois dans cet exemple, à savoir une plaque 6a extérieure, disposée du côté opposé par rapport au substrat 2 et des plaques 6b et 6c, parallèles entre elles dans cet exemple, entourant latéralement les couches 14 parallèlement à l’axe Y. Les plaques 6 s'étendent dans un plan vertical dans l'exemple illustré, perpendiculairement au plan des couches 14. Le refroidisseur 5 est dans cet exemple multi-plaque. Chaque plaque 6 peut consister en une plaque de cuivre intégrant des circuits refroidis par un liquide de refroidissement, notamment de l’eau ou du fluide caloporteur.

Comme visible sur les figures 2, 3 et 4, le refroidisseur 5 est fixe relativement à la dernière couche 14 déposéen-1avant la couche 14nen cours de dépôt, entourant toujours celle-ci ainsi qu’éventuellement la couche en cours de dépôtnet/ou une ou plusieurs couches précédentes. Le refroidisseur 5 peut être fixé au support de la torche à souder et se déplacer solidairement à celle-ci, au cours de la mise en œuvre du procédé.

Dans un autre mode de réalisation non illustré, c’est le substrat 2 qui est mobile au cours de la mise en œuvre du procédé, tandis que le refroidisseur 5 reste fixe, de même que la torche à souder par exemple.

Le refroidisseur 5 appartient à un système de refroidissement 7 qui comporte en outre un système de contrôle 20, représenté en pointillés sur la , formé par exemple par un ordinateur distant, permettant de contrôler la température des plaques 6 et donc de la zone de refroidissement 8, de manière à ce que cette dernière permette un refroidissement de la couche n ou de la couche n-1 et éventuellement des couches sous la couche n-1, par exemple jusqu’à la couche n-5.

Dans l’exemple illustré, on dépose les couches 14 non pas parallèlement au substrat 2 comme dans l’art antérieur, mais avec un angle. Dans cet exemple, les couches 14 sont déposées perpendiculairement au substrat 2 s’étendant selon l’axe X. Chaque couche 14 comporte deux bords 9 opposés, un bord 10 libre et un bord 12 en contact avec le substrat 2. Le bord 12 d’extrémité de chaque couche 14 est soudé au substrat 2 au cours du dépôt de la couche 14.

Dans l’installation 1, comme visible, le substrat 2 est positionné verticalement. Il pourrait être disposé de manière inclinée sans sortir du cadre de l’invention.

Un substrat secondaire 3, visible sur la , est fixé, par exemple par soudure, à proximité de l'extrémité inférieure du substrat 2, orthogonalement à celui-ci, selon un axe Y. Le substrat secondaire 3 peut présenter une surface de base 4 correspondant à la superficie de chaque couche 14 de métal à déposer lors du procédé de fabrication additive. La surface de base 4 peut en variante présenter une surface supérieure à celle de chaque couche 14.

Le métal déposé est dans cet exemple un alliage à base de titane, mais il pourrait constituer un superalliage base nickel ou tout autre alliage métallique soudable sans sortir du cadre de l’invention. Le métal est apporté sous forme de fil dans cet exemple. Le métal M est fondu dans cet exemple à l’aide d’une torche à souder dont une partie seulement est représentée dans un souci de clarté du dessin.

Dans le cas présent, on cherche à maintenir la température dans la zone de refroidissement 8 à une température comprise entre la température ambiante et 600°C, notamment entre 100°C et 300°C. Les distancesdrespectives entre les plaques 6a et 6b et les bords 9 respectifs des couches 14 déposées peuvent être comprises environ entre 0 et 2 mm. De préférence, un contact est assuré entre les plaques 6a et 6b et les bords 9 respectifs pour un échange par conduction.

On peut moduler cette distancedpour ajuster la température au sein de la zone de refroidissement 8 délimitée par le refroidisseur 5. On peut encore moduler la surface du refroidisseur et son flux thermique de dissipation en kW/h.

Dans cet exemple, le refroidisseur 5 se déplace de telle sorte que la zone de refroidissement 8 a un volume constant sauf modulation de la distance entre les plaques 6b, respectivement 6c, et le bord 9 correspondant des couches déposées n-1, etc.

Le refroidisseur 5 est multi-plaque dans l’exemple des figures 2 à 4. Dans l’exemple de la , le refroidisseur 5 est monobloc, présentant une forme globale et une ouverture traversante 21 lui permettant d’entourer le substrat 2 et les couches 14 et de définir la zone de refroidissement 8.

Dans une autre variante de refroidisseur 5 sous forme multi-plaque, le refroidisseur 5 pourrait comporter une quatrième plaque 6d parallèle à la plaque 6a mais située à l'autre extrémité des plaques 6b et 6c pour se trouver face au bord 10 libre de la nervure 11 en cours de construction. Cela pourrait permettre de fermer entièrement, latéralement, la zone de refroidissement 8.

Une telle plaque 6d est présente dans l'exemple de réalisation de la . De plus, dans cet exemple, la zone de refroidissement 8 délimitée autour de la couche n-1 et des couches précédemment déposées s’étend également autour et au-dessus de la couche n en cours de dépôt selon l'axe longitudinal X du substrat 2.

On a représenté sur les figures 7 et 8, la possibilité de réaliser de part et d'autre du même substrat 2 deux nervures 11, référencées 11a et 11b, disposées symétriquement ou non par rapport au substrat 2. La technique utilisée pour chaque côté est la même que définie plus haut, selon l’invention.

Dans l'exemple de la , l’avancement d’un côté et de l’autre n'est pas le même, la nervure 11a étant réalisée avant l’autre. Deux refroidisseurs 5 sont prévus, référencés 5a et 5b. Les refroidisseurs 5 ne comportent chacun que deux plaques 6b et 6c, et sont mobiles en déplacement indépendamment l’un de l’autre, relativement au substrat 2.

Dans l'exemple de la , les nervures 11a et 11b sont formées simultanément et les refroidisseurs 5a et 5b sont mobiles de manière simultanée. On pourrait même n’avoir qu’un seul refroidisseur 5 dans ce mode de réalisation, selon une variante.

L'exemple de la illustre la possibilité de déposer un métal non pas sous forme de fil en fusion mais sous forme de barreaux 13 venant se déposer à l’état fondu. Cela permet notamment d'augmenter la cadence de dépôt des couches 14.

Grâce à l'invention, l'accès aux couches lors du dépôt n'est pas gêné par le refroidisseur 5 qui, avec la zone de refroidissement 8 qu’il délimite, n'enferme que latéralement la zone avec la couchen-1déposée, éventuellement la couchenen cours de dépôt, les couches déjà déposées sous-jacentes et éventuellement une zone au-dessus de la couchenen cours de dépôt.

On a illustré sur les figures 10 et 11 un autre exemple d’installation 1 pour la mise en œuvre du procédé selon l’invention, comportant, outre le système de refroidissement 7, un système d’inertage 15 avec injection de gaz inerte, dans cet exemple constitué par de l’argon. L’injection se fait dans cet exemple depuis le bas à l’aide d’un diffuseur vers une cellule d’inertage 22 incluant la zone de refroidissement 8 délimitée par le refroidisseur 5 représenté en pointillés, et la zone autour de cette zone de refroidissement 8, dans la direction illustrée par les flèches, c’est-à-dire vers le haut.

La illustre le début de la mise en œuvre du procédé selon l’invention, le nombre de couches déposées étant faible, tandis que la représente l’installation après mise en œuvre du procédé sur un grand nombre de couches.

Dans l'exemple des figures 10 et 11, la cellule d’inertage 22 est délimitée par au moins une, notamment plusieurs cloisons 26 qui peuvent coulisser les unes par rapport aux autres de façon télescopique, afin d'étendre la cellule d’inertage 22 au fur et à mesure de la mise en œuvre du procédé. Les cloisons 26 sont superposées latéralement au départ. Elles s’étendent alors sur une hauteur h égale à la hauteur d’une cloison 26 sur la . Sur la , la cloison 261 située à l’extérieur a coulissé vers le haut de manière à ce que la hauteur totale soit la hauteur h1 supérieure à la hauteur h. La cellule d’inertage 22 s'est donc étendue dans cet exemple au cours de la mise en œuvre du procédé de fabrication additive selon l’invention.

On note que la distance D entre l’extrémité supérieure 25 de la cellule d’inertage 22 et donc de la plus haute cloison 26 et la couche en cours de dépôtnpeut être constante et prédéterminée au cours du procédé de mise en œuvre selon l’invention, ayant par exemple une valeur comprise entre 10 et 50 cm.

Il peut bien entendu y avoir un nombre de cloisons 26, coulissant les unes par rapport aux autres, supérieur à deux de chaque côté sans sortir du cadre de l'invention.

Sur la , on a représenté isolément une cloison 26 à soufflet partiellement déployée pour permettre de s’étendre afin de délimiter la cellule d’inertage 22, afin de remplacer les cloisons 26 des figures 10 et 11.

Sur les figures 13 et 14, on a représenté une pièce métallique 50 avec une nervure 11 de forme pyramidale comme visible. On adaptera bien entendu le dépôt des couches en fonction de cette forme pyramidale. Les plaques 6 du refroidisseur 5 peuvent être, comme illustré sur cette figure, disposées parallèlement aux bords 9 de la nervure 11.

D'autres exemples de pièces métalliques 50 selon l’invention réalisées selon le procédé conforme à l’invention ont été illustrés sur les figures 15 à 20.

Dans l'exemple de la , la nervure 11 vue de dessus change de dimension en hauteur et en épaisseur sur l’axe X, avec une partie 17 plus massive que la partie 16.

Dans l'exemple de la , la nervure 11 est en forme de pyramide inversée.

Dans l'exemple de la , la nervure 11 comporte deux parties 18 et 19 formant un angle entre elles. Dans ce cas, les plaques 6 du refroidisseur 5 peuvent présenter des angles de manière à avoir en tout point de la plaque 6 une distance constante relativement au bord 9 et éventuellement 10 de la nervure 11.

Dans l'exemple de la , la nervure 11 présente une forme incurvée. Dans ce cas, on adaptera également la forme des plaques 6 à cette forme incurvée pour conserver au sein de la zone de refroidissement 8 délimitée par le refroidisseur 5 une plage de températures prédéterminée.

Dans l'exemple de la , on a deux substrats 2 disposés l’un contre l’autre et supportant chacun une nervure 11 présentant un angle, de manière non symétrique. On ne sort pas du cadre de l’invention si les nervures 11 sont symétriques entre elles.

Sur la , les substrats 2 sont disjoints contrairement à la . Entre les substrats 2 a été intégrée une partie du refroidisseur 5 sous forme d'une plaque. Les nervures 11 dans cet exemple comportent une excroissance 19.

Dans tous ces exemples, on adapte bien entendu la forme du refroidisseur 5 et des plaques 6 pour avoir, dans la zone de refroidissement 8, la température souhaitée.

L’invention n’est pas limitée aux exemples qui viennent d’être décrits. En particulier, un mode de réalisation selon l’invention peut être celui de la , incluant un refroidisseur 5 comme décrit plus haut.

Le substrat 2 peut être mobile et le refroidisseur 5 peut être fixe, au cours de la mise en œuvre du procédé.

Le métal peut être sous forme de poudre, de fil, de barreau, de feuillard ou sous une autre forme.

Les couches 14 peuvent être déposées dans un plan incliné non orthogonal par rapport au plan du substrat 2. Le substrat secondaire 3 peut former un angle non droit avec le substrat 2.

Claims

Procédé de fabrication additive d’une pièce métallique (50) sur un substrat (2), par apport d’au moins un métal en fusion, en couche par couche, le procédé comportant les étapes suivantes :
Etape a : déposer en couche par couche le métal en fusion,

Etape b : simultanément à l’étape a), refroidir, à l’aide d’un refroidisseur (7) mobile relativement au substrat (2), une zone de refroidissement (8) située au moins autour de la dernière couche déposée (n-1) avant la couche en cours de dépôt (n).
Procédé selon la revendication 1, dans lequel la zone de refroidissement (8) comporte au moins une zone périphérique de la dernière couche déposée (n-1) avant la couche en cours de dépôt (n), transversalement à celle-ci, ainsi qu’une zone périphérique d’au moins une partie des n-1 couches déposées avant la couche en cours de dépôt (n), et/ou une zone située au-dessus d’une zone périphérique de la dernière couche déposée (n-1),nétant notamment compris entre 1 et 5.
Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le refroidisseur (5) est monobloc.
Procédé selon l’une des revendications 1 et 2, dans lequel le refroidisseur (5) comporte une pluralité de parois formant des plaques (6).
Procédé selon la revendication précédente, dans lequel on ajuste la distance de ladite au moins une plaque (6) vis-à-vis de la matière métallique des couches concernées pour avoir la température souhaitée pour les, notamment chaque, couche(s).
Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’étape a) est mise en œuvre de telle sorte que les couches sont déposées dans un plan non parallèle au substrat (2).
Procédé selon la revendication précédente, dans lequel le plan des couches déposées à l’étape a) forme un angle sensiblement orthogonal par rapport au substrat (2).
Procédé selon l’une des deux revendications immédiatement précédentes, dans lequel la première couche est déposée sur un substrat secondaire (3) fixé sur le substrat (2) et s’étendant dans un plan sensiblement parallèle au plan des couches qui seront déposées et de préférence orthogonal au substrat (2).
Procédé selon la revendication 6 et éventuellement l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le refroidisseur (6) est mobile selon un axe (X) parallèle au substrat (2) relativement à ce dernier.
Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant l’étape consistant à injecter, à l’aide d’un diffuseur, un gaz inerte dans une cellule d’inertage (22) incluant la zone de refroidissement (8) pendant tout ou partie de la mise en œuvre des étapes a) et b).
Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la pièce (50) est formée par dépôt de couches d’un premier côté du substrat (2) et par dépôt de couches d’un deuxième côté du substrat (2), notamment opposé au premier côté.
Installation (1) de fabrication additive pour la fabrication d’une pièce métallique (50) sur un substrat (2), par apport d’au moins un métal en fusion, notamment pour la mise en œuvre du procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, l’installation (1) comportant un système d’apport et de dépôt d’un métal en fusion en couche par couche et un système de refroidissement (7) comportant un refroidisseur (5) mobile relativement au substrat (2) délimitant une zone de refroidissement (8) et configuré pour refroidir au moins la zone de refroidissement (8) située au moins autour de la dernière couche déposée (n-1) avant la couche (n) en cours de dépôt.
Installation (1) selon la revendication précédente, le refroidisseur (5) étant mobile selon un axe (X) parallèle au substrat, relativement à ce dernier.
Installation (1) selon la revendication 12 ou 13, comportant un diffuseur de gaz inerte apte à diffuser un gaz d’inertage dans une cellule d’inertage (22) comportant au moins la zone de refroidissement (8).
Pièce métallique (50) obtenue à l’aide du procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 11, réalisée en couche par couche sur le substrat (2), chaque couche s’étendant dans un plan sensiblement orthogonal au substrat (2).