FR3123234A1 - additive manufacturing process of a three-dimensional part - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un procédé de fabrication additive d’une pièce (11) tridimensionnelle, caractérisé en ce qu’il comprend au moins une étape de remplissage qui consiste à déposer un matériau métallique (18) dans un moule (12) réfractaire au moyen d’un distributeur (16) et à faire fondre ledit matériau métallique (18) simultanément au moyen d’une source (20) d’un flux d’énergie concentrée (22). (Fig. 1)The invention relates to a process for the additive manufacturing of a three-dimensional part (11), characterized in that it comprises at least one filling step which consists in depositing a metallic material (18) in a refractory mold (12) by means of of a distributor (16) and simultaneously melting said metallic material (18) by means of a source (20) of a concentrated energy flow (22). (Fig.1)
Description
Domaine technique de l’inventionTechnical field of the invention
L'invention concerne, de façon générale, le domaine technique des procédés de fabrication additive d’une pièce tridimensionnelle.The invention relates, in general, to the technical field of additive manufacturing processes for a three-dimensional part.
L’invention se rapporte plus spécifiquement à un procédé de fabrication additive d’une pièce tridimensionnelle métallique au moyen d’un moule réfractaire et à son système de mise en œuvre.The invention relates more specifically to a process for the additive manufacturing of a three-dimensional metal part by means of a refractory mold and to its implementation system.
État de la technique antÉrieureState of the prior art
Il existe de nombreux procédés pour la fabrication de pièces métalliques tridimensionnelles, comme l’usinage, la fonderie, le moulage par injection et les procédés de fabrication additive.There are many processes for manufacturing three-dimensional metal parts, such as machining, casting, injection molding and additive manufacturing processes.
La fonderie est un procédé de formage des métaux qui consiste à couler un métal ou un alliage liquide dans un moule réfractaire pour reproduire, après refroidissement, une pièce donnée.Foundry is a metal forming process which consists of pouring a metal or a liquid alloy into a refractory mold to reproduce, after cooling, a given part.
Bien que ce type de procédé permette la production de pièces en grande série et de façon productive, son coût est généralement trop élevé pour la réalisation de pièces en petite série.Although this type of process allows the production of parts in large series and in a productive way, its cost is generally too high for the production of parts in small series.
Aussi, la fabrication de pièces par fonderie nécessite une ingénierie de conception des moules pour limiter l’apparition des défauts, notamment pour des volumes importants de métal fondu. Cela demande du temps, de l’expertise, complexifie les moules et génère des pertes de matière.Also, the manufacture of parts by foundry requires mold design engineering to limit the appearance of defects, especially for large volumes of molten metal. This requires time, expertise, complicates the molds and generates material losses.
La fabrication additive, aussi appelée fabrication par impression 3D, regroupe les procédés de fabrication de pièces en volume par ajout de matière en couches successives depuis une modélisation tridimensionnelle, par opposition à la fabrication soustractive.Additive manufacturing, also called manufacturing by 3D printing, brings together the processes of manufacturing parts in volume by adding material in successive layers from a three-dimensional model, as opposed to subtractive manufacturing.
Parmi les procédés de fabrication additive, on connaît les procédés de dépôt de matière sous flux d’énergie concentrée, connu sous l’acronyme anglais DED pour « Directed Energy Deposition ».Among the additive manufacturing processes, we know the processes of deposition of matter under concentrated energy flow, known by the English acronym DED for “Directed Energy Deposition”.
Ce type de procédé par dépôt de matière sous flux d’énergie concentrée est généralement mis en œuvre au moyen d’un dispositif de fabrication additive qui comprend un distributeur de matériau métallique adapté pour déposer le matériau métallique sur un support et une source d’un flux d’énergie concentrée adaptée pour faire fondre le matériau métallique simultanément à son dépôt.This type of process by deposition of material under concentrated energy flow is generally implemented by means of an additive manufacturing device which comprises a distributor of metallic material adapted to deposit the metallic material on a support and a source of a Concentrated energy flow suitable for melting the metallic material simultaneously with its deposition.
Ainsi, l’addition de cordons de métal fondu permet de réaliser une pièce en volume.Thus, the addition of molten metal cords makes it possible to create a part in volume.
Le métal en fusion forme un bain liquide qui est difficile à maîtriser, en effet sa nature liquide peut l’amener à s’effondrer.The molten metal forms a liquid bath which is difficult to control, indeed its liquid nature can cause it to collapse.
Il est donc nécessaire d’attendre le refroidissement de la pièce afin de limiter le risque d’effondrement, ce qui limite la productivité de ce type de procédé par dépôt de matière sous flux d’énergie concentrée.It is therefore necessary to wait for the part to cool in order to limit the risk of collapse, which limits the productivity of this type of process by deposition of material under concentrated energy flow.
De plus, l’état de surface des pièces réalisées par dépôt de matière sous flux d’énergie concentrée présente une forte rugosité qui est directement liée à la géométrie des cordons de métal déposés et à leur empilement.In addition, the surface condition of the parts made by depositing material under a concentrated energy flow presents a high roughness which is directly linked to the geometry of the metal cords deposited and their stacking.
Cet état brut et rugueux peut nécessiter un usinage de finition.This raw and rough state may require finish machining.
L’invention vise à remédier à tout ou partie des inconvénients de l’état de la technique en proposant notamment un procédé de fabrication additive d’une pièce tridimensionnelle, qui permet d’éviter l’effondrement de la matière en fusion, qui améliore la productivité de la fabrication additive et qui permet d’obtenir des pièces présentant un état de surface pouvant s’affranchir d’un usinage de finition.The invention aims to remedy all or part of the drawbacks of the state of the art by proposing in particular a process for the additive manufacturing of a three-dimensional part, which makes it possible to avoid the collapse of the molten material, which improves the productivity of additive manufacturing and which makes it possible to obtain parts with a surface condition that can be dispensed with finishing machining.
Pour ce faire est proposé, selon un premier aspect de l'invention, un procédé de fabrication additive d’une pièce tridimensionnelle, caractérisé en ce qu’il comprend au moins une étape de remplissage qui consiste à déposer un matériau métallique dans un moule réfractaire au moyen d’un distributeur et à faire fondre ledit matériau métallique simultanément au moyen d’une source d’un flux d’énergie concentrée.To do this is proposed, according to a first aspect of the invention, a process for the additive manufacturing of a three-dimensional part, characterized in that it comprises at least one filling step which consists in depositing a metallic material in a refractory mold by means of a distributor and simultaneously melting said metallic material by means of a source of concentrated energy flow.
Le procédé selon l’invention présente l’avantage d’être mis en œuvre de manière manuelle ou automatisée et permet de réaliser des pièces tridimensionnelles sans contrainte de dimensions maximum.The method according to the invention has the advantage of being implemented manually or automatically and makes it possible to produce three-dimensional parts without constraint of maximum dimensions.
De plus, l’utilisation d’un moule en association avec une fabrication additive par dépôt de matière permet d’éviter l’effondrement de la matière en fusion déposée qui est retenue par le moule. L’utilisation du moule permet de s’affranchir du temps de refroidissement de la matière déposée, ce qui améliore la productivité du procédé.In addition, the use of a mold in association with additive manufacturing by material deposition makes it possible to avoid the collapse of the deposited molten material which is retained by the mold. The use of the mold eliminates the cooling time of the deposited material, which improves the productivity of the process.
Selon un mode de réalisation, le matériau métallique déposé au cours de l’étape de remplissage présente la forme d’un fil qui est fondu au moyen du flux d’énergie concentrée pour former un cordon de métal.According to one embodiment, the metallic material deposited during the filling step has the form of a wire which is melted by means of the concentrated energy flow to form a bead of metal.
Selon un mode de réalisation, le flux d’énergie concentrée utilisée au cours de l’étape de remplissage est un arc électrique.According to one embodiment, the concentrated energy flow used during the filling step is an electric arc.
Selon un mode de réalisation, l’étape de remplissage comprend au moins successivement une première phase qui consiste à réaliser au moins en partie un contour de la pièce tridimensionnelle à fabriquer et une seconde phase qui consiste à remplir ledit contour préalablement réalisé.According to one embodiment, the filling step comprises at least successively a first phase which consists in producing at least part of an outline of the three-dimensional part to be manufactured and a second phase which consists in filling in said previously produced outline.
Selon un mode de réalisation, le procédé comporte une étape préliminaire de fabrication du moule qui consiste à fabriquer le moule par fabrication additive par projection d’un liant par des têtes d’impression sur un lit de sable, ledit moule étant utilisé au cours de ladite étape de remplissage.According to one embodiment, the method comprises a preliminary step of manufacturing the mold which consists in manufacturing the mold by additive manufacturing by spraying a binder by printing heads onto a bed of sand, said mold being used during said filling step.
Selon un mode de réalisation, le moule comporte une pluralité d’éléments de moulage qui sont adaptés pour être assemblés entre eux par coopération de forme pour former ledit moule.According to one embodiment, the mold comprises a plurality of molding elements which are adapted to be assembled together by shape cooperation to form said mold.
Selon un autre aspect de l’invention, celle-ci a trait à un système pour la mise en œuvre du procédé décrit précédemment, caractérisé en ce qu’il comporte au moins un moule réfractaire et un dispositif de fabrication additive qui comprend au moins un distributeur de matériau métallique qui est adapté pour déposer ledit matériau métallique dans le moule et au moins une source d’un flux d’énergie concentrée qui est adaptée pour faire fondre ledit matériau métallique simultanément à son dépôt dans le moule.According to another aspect of the invention, the latter relates to a system for implementing the method described above, characterized in that it comprises at least one refractory mold and an additive manufacturing device which comprises at least one distributor of metallic material which is adapted to deposit said metallic material in the mold and at least one source of a concentrated energy flow which is adapted to melt said metallic material simultaneously with its deposition in the mold.
Selon un mode de réalisation, le matériau métallique déposé dans le moule présente la forme d’un fil qui est fondu au moyen du flux d’énergie concentrée pour former un cordon de métal.According to one embodiment, the metallic material deposited in the mold has the form of a wire which is melted by means of the flow of concentrated energy to form a bead of metal.
Selon un mode de réalisation, le flux d’énergie concentrée est un arc électrique.According to one embodiment, the concentrated energy flow is an electric arc.
brÈve description des figuresbrief description of figures
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description qui suit, en référence aux figures annexées, qui illustrent :
Pour plus de clarté, les éléments identiques ou similaires sont repérés par des signes de référence identiques sur l’ensemble des figures.For greater clarity, identical or similar elements are identified by identical reference signs in all the figures.
description DÉTAILLÉE d’un mode de rÉalisationDETAILED description of an embodiment
La
La fabrication additive, aussi appelée fabrication par impression 3D, regroupe les procédés de fabrication de pièces en volume par ajout de matière en couches successives depuis une modélisation tridimensionnelle, par opposition à la fabrication soustractive.Additive manufacturing, also called manufacturing by 3D printing, brings together the processes of manufacturing parts in volume by adding material in successive layers from a three-dimensional model, as opposed to subtractive manufacturing.
Le système10comporte un moule12réfractaire et un dispositif de fabrication additive14qui comprend un distributeur16de matériau métallique18et une source20d’un flux d’énergie concentrée22qui est adaptée pour faire fondre le matériau métallique18.The system 10 includes a refractory mold 12 and an additive manufacturing device 14 which includes a distributor 16 of metallic material 18 and a source 20 of a concentrated energy flow 22 which is adapted to melt the metallic material 18 .
Le distributeur16de matériau métallique18est adapté pour déposer le matériau métallique18dans le moule12.The distributor 16 of metallic material 18 is adapted to deposit the metallic material 18 in the mold 12 .
A cet effet, le distributeur16et la source20du flux d’énergie concentrée22sont entraînés en déplacement par un actionneur (non représenté), par exemple un bras robotisé, qui permet de déposer le matériau métallique18suivant la modélisation tridimensionnelle de la pièce11à fabriquer.To this end, the distributor 16 and the source 20 of the concentrated energy flow 22 are moved by an actuator (not shown), for example a robotic arm, which makes it possible to deposit the metallic material 18 according to the three-dimensional modeling of the part 11 to be manufactured.
A titre non limitatif, l’ensemble formé par le distributeur16et la source20du flux d’énergie concentrée22peut être entraîné en déplacement manuellement.By way of non-limiting example, the assembly formed by the distributor 16 and the source 20 of the concentrated energy flow 22 can be moved manually.
Comme on peut le voir à la
Le procédé de fabrication additive selon l’invention comprend une étape préliminaire de fabrication du moule12qui consiste à fabriquer le moule12par fabrication additive par projection d’un liant par des têtes d’impression sur un lit de sable.The additive manufacturing method according to the invention comprises a preliminary step of manufacturing the mold 12 which consists in manufacturing the mold 12 by additive manufacturing by spraying a binder by printing heads onto a bed of sand.
Ce type de fabrication additive est aussi appelé « fabrication additive par jet d’encre sable » ou encore « impression 3D sable », elle consiste à construire couche par couche une pièce en utilisant un liant pour solidariser les grains de sable, pour obtenir un moule en sable sans outillage à partir de sa seule définition géométrique numérique.This type of additive manufacturing is also called "sand inkjet additive manufacturing" or "sand 3D printing", it consists of building a part layer by layer using a binder to hold the grains of sand together, to obtain a mold in sand without tools from its only digital geometric definition.
À titre non limitatif, il est possible de réaliser un noyau en sable si la pièce à réaliser au cours du procédé de fabrication est une pièce creuse.Without limitation, it is possible to produce a sand core if the part to be produced during the manufacturing process is a hollow part.
On entend par « sable » une charge sous forme de grains ou de poudre, qui est en mullite selon un exemple de réalisation préféré de l’invention.By “sand” is meant a filler in the form of grains or powder, which is made of mullite according to a preferred embodiment of the invention.
La mullite est un silicate d'aluminium qui présente l’avantage d’être réfractaire et qui est particulièrement adaptée à la fabrication de moules de fonderie.Mullite is an aluminum silicate which has the advantage of being refractory and which is particularly suitable for the manufacture of foundry moulds.
Aussi, le liant qui permet de solidariser les grains de sable est par exemple une résine furanique.Also, the binder which makes it possible to join the grains of sand together is for example a furan resin.
De plus, le procédé selon l’invention comprend une étape de remplissage qui consiste à déposer le matériau métallique18, au moyen du distributeur16associé, dans le moule12réalisé préalablement.In addition, the method according to the invention comprises a filling step which consists in depositing the metallic material 18 , by means of the associated distributor 16 , in the mold 12 made beforehand.
Le matériau métallique18est fondu simultanément à sa dépose dans le moule12au moyen de la source20du flux d’énergie concentrée22.The metallic material 18 is melted simultaneously with its deposit in the mold 12 by means of the source 20 of the concentrated energy flow 22 .
Le matériau métallique18déposé au cours de l’étape de remplissage présente la forme d’un fil qui est fondu au moyen du flux d’énergie concentrée22pour former un cordon de métal.The metallic material 18 deposited during the filling step has the form of a wire which is melted by means of the concentrated energy flow 22 to form a bead of metal.
Ainsi, la pièce11est réalisée par addition et par accumulation de cordons de métal.Thus, part 11 is made by adding and accumulating metal cords.
À titre non limitatif, la matière métallique18déposée au cours de l’étape de remplissage peut présenter la forme d’une poudre ou la forme d’un barreau de section quelconque.Without limitation, the metallic material 18 deposited during the filling step can have the form of a powder or the shape of a bar of any section.
De préférence, le flux d’énergie concentrée22utilisée au cours de l’étape de remplissage est un arc électrique. À titre non limitatif, la source20du flux d’énergie concentrée22peut être un laser, un faisceau d’électrons ou un moyen d’échauffement de la matière par effet joule.Preferably, the concentrated energy flow 22 used during the filling step is an electric arc. By way of non-limiting example, the source 20 of the concentrated energy flow 22 can be a laser, an electron beam or a means of heating the material by the Joule effect.
Selon une variante de mise en œuvre du procédé selon l’invention, l’étape de remplissage comprend au moins successivement une première phase qui consiste à réaliser au moins en partie un contour de la pièce11à fabriquer par dépôt du métal en fusion et une seconde phase qui consiste à remplir le contour préalablement réalisé, par dépôt du métal en fusion.According to a variant implementation of the method according to the invention, the filling step comprises at least successively a first phase which consists in producing at least part of an outline of the part 11 to be manufactured by deposition of the molten metal and a second phase which consists in filling the outline previously made, by depositing the molten metal.
La variante de mise en œuvre du procédé en deux phases permet d’assurer la géométrie externe de la pièce11en contact direct avec la surface interne du moule1 2.The implementation variant of the two-phase method makes it possible to ensure the external geometry of the part 11 in direct contact with the internal surface of the mold 1 2 .
Le procédé selon l’invention présente l’avantage de pouvoir être mis en œuvre de manière manuelle ou automatisée et permet de réaliser des pièces tridimensionnelles sans contrainte de dimensions maximum.The method according to the invention has the advantage of being able to be implemented manually or automatically and makes it possible to produce three-dimensional parts without constraint of maximum dimensions.
De plus, l’utilisation d’un moule en association avec une fabrication additive par dépôt de matière permet d’éviter l’effondrement de la matière en fusion, qui est retenue par le moule.In addition, the use of a mold in association with additive manufacturing by material deposition makes it possible to avoid the collapse of the molten material, which is retained by the mold.
Ainsi, l’utilisation du moule permet de s’affranchir du temps de refroidissement de la matière déposée, ce qui améliore la productivité du procédé.Thus, the use of the mold eliminates the cooling time of the deposited material, which improves the productivity of the process.
Aussi, le procédé selon l’invention permet de générer tout type de forme sans parachèvement puisque l’état de surface est défini par la rugosité interne du moule.Also, the method according to the invention makes it possible to generate any type of shape without finishing since the surface condition is defined by the internal roughness of the mould.
Enfin, le moule est de conception simple, c’est-à-dire qu’il ne comporte pas de dispositif assurant la qualité de la pièce moulée, car le bain de fusion formé par la matière en fusion n’est pas suffisamment volumineux pour générer des défauts du type défaut de fonderie.Finally, the mold is of simple design, that is to say it does not include any device ensuring the quality of the molded part, because the molten pool formed by the molten material is not large enough to generate defects of the foundry defect type.
Toutefois, le moule peut être fonctionnalisé, pour apporter un gaz de protection par exemple.However, the mold can be functionalized, to provide a protective gas for example.
Naturellement, l’invention est décrite dans ce qui précède à titre d’exemple. Il est entendu que l’homme du métier est à même de réaliser différentes variantes de réalisation de l’invention sans pour autant sortir du cadre de l’invention.Naturally, the invention is described in the foregoing by way of example. It is understood that the person skilled in the art is able to carry out different variant embodiments of the invention without departing from the scope of the invention.
Par exemple, le procédé selon l’invention peut s’appliquer à la fabrication d’une pièce ex nihilo ou à l’ajout d’une fonctionnalité sur une pièce existante.For example, the method according to the invention can be applied to the manufacture of a part ex nihilo or to the addition of a functionality to an existing part.
Il est souligné que toutes les caractéristiques, telles qu’elles se dégagent pour un homme du métier à partir de la présente description, des dessins et des revendications attachées, même si concrètement elles n’ont été décrites qu’en relation avec d’autres caractéristiques déterminées, tant individuellement que dans des combinaisons quelconques, peuvent être combinées à d’autres caractéristiques ou groupes de caractéristiques divulguées ici, pour autant que cela n’a pas été expressément exclu ou que des circonstances techniques rendent de telles combinaisons impossibles ou dénuées de sens.It is emphasized that all the characteristics, as they emerge for a person skilled in the art from the present description, the drawings and the attached claims, even if concretely they have only been described in relation to other characteristics determined, both individually and in arbitrary combinations, can be combined with other characteristics or groups of characteristics disclosed here, provided that this has not been expressly excluded or that technical circumstances make such combinations impossible or invalid. meaning.
Claims (9)
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| FR3123234A1 true FR3123234A1 (en) | 2022-12-02 |
Family
ID=76375327
Family Applications (1)
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|---|---|---|---|---|
| US4066862A (en) * | 1977-05-27 | 1978-01-03 | Tippmann Eugene R | Method of building-up a layer of metal on a metal surface |
| WO2020096951A1 (en) * | 2018-11-05 | 2020-05-14 | Teng Yi Hsien Harry | Three-dimensional additive casting |
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-
2021
- 2021-05-25 FR FR2105410A patent/FR3123234A1/en active Pending
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4066862A (en) * | 1977-05-27 | 1978-01-03 | Tippmann Eugene R | Method of building-up a layer of metal on a metal surface |
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| FR3099999A1 (en) * | 2019-08-22 | 2021-02-26 | Safran Helicopter Engines | Additive manufacturing process for a foundry mold and manufacturing process for a metal part using said process |
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