FR3126633A1 - Procédé de dépôt de fil métallique fondu à l’aide d’un faisceau laser balayé sur la surface de la pièce - Google Patents

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Jérôme WURSTHORN
Julien WILLAUER
Zakaria MAHFOUD
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Abstract

La présente invention concerne un procédé de fabrication additive consistant à commander le déplacement sur la surface d'une pièce d’un équipement comportant au moins un laser dont le faisceau est focalisé sur la sortie d’une tête d’alimentation délivrant au moins un fil métallique d’un diamètre D, ledit équipement étant commandé pour déplacer la zone d’interaction du faisceau dudit laser avec ledit au moins un fil selon une trajectoire principale représentative de la géométrie de la pièce à fabriquer caractérisé en ce que ledit déplacement de la zone d’interaction est modulé par un balayage sur 2 axes selon une direction longitudinale parallèle au vecteur vitesse de ladite trajectoire principale et une direction transversale, normale au vecteur vitesse dans le plan focal, ladite déviation définissant une courbe balayée avec une vitesse supérieure à la vitesse de déplacement selon ladite trajectoire principale, ledit balayage sur 2 axes étant pilotée par un système de pilotage comportant des moyens de paramétrer pour chaque fabrication la loi de commande dudit balayage sur 2 axes. Figure à publier : 1

Description

Procédé de dépôt de fil métallique fondu à l’aide d’un faisceau laser balayé sur la surface de la pièce
Domaine de l’invention
La présente invention concerne le domaine de la fabrication additive DED-fil ou dépôt de matière sous énergie concentrée (Directed Energy Deposition-Wire) consistant à fondre un matériau métallique sous forme de fil à l'aide d'une énergie thermique concentrée (laser, faisceau d’électrons et arc électrique) et déposé suivant une trajectoire déterminée afin de réaliser des cordons qui sont juxtaposés pour former une couche. Les couches de matière sont superposées jusqu’à l’obtention de la pièce finale dont la géométrie s’approche de l’objet final, mais qui nécessiteront toutefois d’être reprises en usinage.
La conception d’une pièce commence par la création du modèle 3D à l’aide d’un logiciel de CAO. Le modèle numérique de la pièce est ensuite découpé en une multitude de couches, parallèles entre elles, par un logiciel de découpe, appelé slicer, représentant les différentes couches de matériau nécessaires à la fabrication de la pièce. La technique consiste à déposer du matériau sur un plateau ou un composant en cours de réparation à l’aide d’une buse montée sur un bras à plusieurs axes (généralement 4 à 6). Le matériau qui alimente la buse est fourni sous forme de poudre ou de fil. Lors du dépôt, une source de chaleur fait fondre le matériau simultanément, généralement à l’aide d’un laser, d’un faisceau d’électrons, d'un arc électrique ou encore d'un jet plasma. Cette procédure est répétée jusqu’à ce que les couches se soient solidifiées et aient créé ou réparé un objet.
Des sources de chaleur à forte densité d'énergie peuvent être mises en œuvre pour fondre le fil : le faisceau d'électrons (procédé EBAM pour 'Electron Beam Additive Manufacturing') ou le faisceau laser (procédé WLAM pour 'Wire Laser Additive Manufactutring').
La première famille de solutions à faisceau d’électrons de type EBAM requiert une chambre avec un vide élevé, équipée avec la tête de dépôt, les axes de déplacements de la tête, les outillages de maintien de la pièce et la pièce à construire elle-même. Il offre des densités d'énergie très élevées et peut être balayé à grande vitesse sur des surfaces. La principale limitation de ce procédé est liée à la gestion du vide et ses contraintes.
La deuxième famille de solutions est basée sur l’utilisation d’un faisceau laser. Contrairement aux solutions à faisceau d’électrons, elles peuvent être mise en œuvre à l’air ambiant, sans nécessiter d’enceinte sous vide. La matière, généralement métalliques (aciers, alliages d'aluminium, alliages de titane…), sous forme de poudre ou de fil, est injectée dans le faisceau laser à l'aide d' une buse, montée généralement sur un bras robot à 6 axes. L’apport de fil peut être latéral au faisceau laser ou central avec un système optique sophistiqué qui recombine plusieurs faisceaux laser pour les focaliser tout autour du fil.
Cette technique permet notamment la réparation de pièces métalliques endommagées et la construction par dépôt sous énergie concentrée de pièces relativement grandes (une dimension dépassant le mètre) nécessitant un outillage minimal, peu coûteux et relativement peu de post-traitement. Les procédés DED permettent aussi de produire des composants avec des gradients de composition ou des structures composites constituées de plusieurs matériaux ayant des compositions et des structures différentes.
Etat de la technique
On connaît dans l’état de la technique le brevet US8598523 décrivant un procédé et un appareil pour réaliser le traitement pour la fabrication de couche d'une pièce tridimensionnelle avec un faisceau d’électrons, consistant à exposer la matière première à un faisceau d'électrons pour liquéfier la matière première ; déposer la matière première sur un substrat comme dépôt de bain de fusion, le dépôt ayant une région de bord avant dans un plan x-y avec une largeur de région de bord avant et une région de bord arrière dans le plan x-y avec une largeur de région de bord arrière sous au moins une première condition de traitement ; contrôler le dépôt de bain de fusion pour au moins une condition présélectionnée à l'aide de la détection de dispersion à partir d'un faisceau d'électrons de balayage simultanément avec l'étape de dépôt ; modifier automatiquement la première condition de traitement en une condition de traitement différente en fonction des informations obtenues à partir de l'étape de comparaison ; et répéter les étapes à un ou plusieurs seconds emplacements pour construire couche par couche, globalement le long d'un axe z qui est orthogonal au plan x-y, une pièce à travailler tridimensionnelle.
Le brevet US8809780B2 décrit un autre exemple connu de fabrication de couche d'une pièce tridimensionnelle consistant à alimenter une matière première dans un état solide vers un premier emplacement prédéterminé ; exposer la matière première à un faisceau d'électrons pour liquéfier la matière première ; déposer la matière première sur un substrat comme dépôt de bain de fusion, le dépôt ayant une région de bord avant dans un plan x-y avec une largeur de région de bord avant et une région de bord arrière dans le plan x-y avec une largeur de région de bord arrière sous au moins une première condition de traitement ; contrôler le dépôt de bain de fusion pour au moins une condition présélectionnée à l'aide de la détection de dispersion à partir d'un faisceau d'électrons de balayage simultanément avec l'étape de dépôt ; solidifier le dépôt de bain de fusion ; modifier automatiquement la première condition de traitement en une condition de traitement différente en fonction des informations obtenues à partir de l'étape de comparaison ; et répéter les étapes à un ou plusieurs seconds emplacements pour construire couche par couche, globalement le long d'un axe z qui est orthogonal au plan x-y, une pièce à travailler tridimensionnelle.
On connaît aussi le brevet chinois CN107470624 décrivant un dispositif de fabrication additive pour une structure de gradient de fonction à fils multiples. Le dispositif comprend une plate-forme de support, un dispositif de génération de source de chaleur, une sortie de source de chaleur, des mécanismes d'alimentation en fil, une plate-forme de travail et un système de contrôle. La sortie de la source de chaleur et les buses de sortie du fil des mécanismes d'alimentation en fil sont toutes deux fixées à la plate-forme porteuse. Le dispositif de génération de source de chaleur fournit une source de chaleur pour le processus de fusion des métaux et est en outre relié à la sortie de la source de chaleur. Les mécanismes d'alimentation en fil comprennent des plaques d'alimentation en fil, des moteurs d'entraînement d'alimentation en fil et les buses de sortie de fil. Les buses de sortie de fil des mécanismes d'alimentation en fil sont situées sous la source de chaleur. Le système de contrôle est électriquement relié aux moteurs d'entraînement du fil, à un système d'entraînement de la plate-forme porteuse et au dispositif de génération de la source de chaleur.
La demande de brevet US20180272460A1 concerne un procédé et un appareil prévus en particulier pour la fabrication additive de matériaux qui sont susceptibles de fissuration à chaud. Le processus de fabrication additive peut comprendre un faisceau d'énergie d'attaque pour la liquéfaction d'une matière première pour former une masse fondue, et un second faisceau d'énergie dirigé en aval de la masse fondue. Le second faisceau d'énergie est conçu pour améliorer l'agitation et/ou la redistribution du liquide dans la masse fondue afin d'empêcher une fissuration à chaud, de réduire la porosité ou d'améliorer d'autres caractéristiques de la partie solidifiée.
  • Le brevet EP2855078B1 décrit un procédé pour la production d'un échantillon d'alliage, consistant à installer une source de chaleur directionnelle et d'une tête d'alimentation multifilaire et à disposer une surface de pièce à usiner à une distance fixe d'une surface de la tête d'alimentation multifilaire tournée vers le bas. Ce procédé comprenant en outre les étapes suivantes :
  • distribution de chaleur et alimentation de longueurs sélectionnées d'au moins deux fils présentant des compositions diverses dans une région affectée par la chaleur, pour former, sur la partie de la surface tournée vers le bas, une partie d'alliage fondue (17) substantiellement homogène présentant une composition définie par les aires de section transversale et les proportions relatives des longueurs sélectionnées des au moins deux fils ; et
  • refroidissement de la partie d'alliage fondue pour former une partie d'alliage solide présentant la même composition définie que la partie d'alliage fondue
La tête d'alimentation multifilaire et la pièce à usiner sont configurées pour permettre à la tête d'alimentation de distribuer, par une sortie disposée dans la surface tournée vers le bas, de la chaleur (H) à partir de la source de chaleur directionnelle, le long d'une direction de distribution de chaleur (B) alignée avec un axe longitudinal de la tête d'alimentation multifilaire, dans une région affectée par la chaleur comprenant au moins une partie de la surface de pièce à usiner alignée normalement par rapport à la direction de distribution de chaleur, et pour alimenter, à partir de chacune parmi une ou plusieurs d'une multitude de sorties de fil disposées sur la surface tournée vers le bas, les extrémités, respectivement, de chacun parmi un ou plusieurs d'une multitude de fils (1, 2, ...) présentant des compositions diverses à des angles d'inclinaison identiques par rapport à la direction de distribution de chaleur et vers un foyer commun (F) situé dans la région affectée par la chaleur.
Inconvénients de l’art antérieur
Les solutions de l’art antérieur ne sont pas totalement satisfaisantes.
Les solutions mettant en œuvre un faisceau d’électrons sont extrêmement couteuses et complexes, nécessitant une enceinte de grande dimension dans laquelle il est nécessaire de produire un vide poussé de l’ordre de 10-3millibars avant de commencer le processus de dépôt additif. L’ensemble de l’équipement, du support et de la pièce doivent être logés dans cette enceinte à vide. Le canon à électrons et les bobines déflectrices formant les lentilles électromagnétiques sont fixes et relativement lourdes, ce qui implique une mobilité de la platine supportant la pièce en formation. Par ailleurs, l’état de surface de la pièce imprimée est médiocre et les surépaisseurs mises en œuvre nécessitent généralement une étape additionnelle d’usinage.
La solution alternative, correspondant à l’état de la technique le plus proche, est basée sur l’utilisation d’un laser. La vitesse de balayage du faisceau laser est relativement lente en raison de l’inertie des mécanismes (galvano-scanner par exemple). La surface de dépose nécessite une mise en température pour fondre le matériau récepteur de la couche et ainsi assurer le soudage de la couche déposée et une parfaite continuité métallurgique. La solution proposée dans le brevet US20180272460A1 implique l’utilisation de deux faisceaux distincts.
Solution apportée par l’invention
L’invention concerne selon son acception la plus générale un procédé de fabrication additive consistant à commander le déplacement sur la surface d'une pièce d’un équipement comportant au moins un laser dont le faisceau est focalisé sur la sortie d’une tête d’alimentation délivrant au moins un fil métallique d’un diamètre D, ledit équipement étant commandé pour déplacer la zone d’interaction du faisceau dudit laser avec ledit au moins un fil selon une trajectoire principale représentative de la géométrie de la pièce à fabriquer caractérisé en ce que ledit déplacement de la zone d’interaction est modulé par un balayage sur 2 axes selon une direction longitudinale parallèle au vecteur vitesse de ladite trajectoire principale et une direction transversale, normale au vecteur vitesse dans le plan focal, ladite déviation définissant une courbe balayée avec une vitesse supérieure à la vitesse de déplacement selon ladite trajectoire principale, ledit balayage sur 2 axes étant pilotée par un système de pilotage comportant des moyens de paramétrer pour chaque fabrication la loi de commande dudit balayage sur 2 axes.
De préférence, l'axe de la tête d'alimentation du fil forme un angle compris entre 5 et 40° avec l'axe du faisceau laser.
Selon une variante, ladite tête d’alimentation du fil d'apport comporte une pluralité de sorties de fils d’apport convergeant vers une zone d'interaction correspondant à l'intersection entre le balayage du faisceau sur 2 axes et la surface de la pièce sur laquelle est déposé le cordon.
Selon une autre variante, on procède à l’injection d’au moins deux fils dans la zone d'interaction.
Avantageusement, ledit système de pilotage est basé sur un automate et une commande numérique et commande une modulation du faisceau laser et un balayage sur les différents fils injectés.
Selon un mode de mise en œuvre particulier, ledit au moins un fil métallique comporte au moins deux matériaux différents.
Selon un autre mode de réalisation, le déplacement de la zone d’interaction est commandé pour assurer un préchauffage en amont du bain de fusion à l'aide du faisceau non absorbé par les fils.
Avantageusement, le déplacement de la zone d’interaction est modulé par ledit balayage 2 axes selon une forme adaptée à l'injection des fils d'apport de manière à assurer le préchauffage de la zone comprenant le fil et la pièce en amont du bain de fusion, la fusion du ou des fils d'apport ainsi que l'entretien du bain de fusion.
Selon une variante, le déplacement de la zone d’interaction est modulé par ledit balayage 2 axes selon une forme déterminée pour agir directement pendant le dépôt de matière sur la largeur du bain de fusion et ainsi les caractéristiques géométriques de la matière déposée.
Selon une autre variante, on injecte au moins deux fils d'apport aux compositions chimiques différentes.
Selon une autre variante, on injecte au moins deux fils d'apport de diamètres différents.
Description détaillée d’un exemple non limitatif de réalisation
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, se référant aux dessins annexés illustrant des exemples non limitatifs de réalisation où :
  • La représente une vue schématique de face de l’installation
  • La représente une vue schématique de la courbe fermée parcourue par le faisceau laser selon une première variante
  • La représente une vue schématique de la courbe fermée parcourue par le faisceau laser selon une deuxième variante
  • La représente le schéma de fabrication d’une éprouvette en T.
Principe général de l’invention
La présente invention vise à faciliter la fabrication sans recours à une enceinte sous vide de pièces de grandes dimensions, typiquement de plusieurs dizaines voire centaines de centimètres par fabrication additive, et/ou le rechargement pour la réparation des parties endommagées de telles pièces de grandes dimensions, et/ou l’ajout de protubérances fonctionnelles sur des pièces et la réalisation d’opérations de soudage avec apport de matière, avec une large gamme d’alliages métalliques sous forme de fils en bobines, à l’air libre ou sous atmosphère contrôlée à pression ambiante. Il s’agit notamment de fils d’aciers inoxydables, d’aciers faiblement et moyennement alliés, d’alliages de titane, de superalliages de nickel et de cobalt, d’alliages d'aluminiums ainsi que des bases cuivre, et de manière générales tous les matériaux conducteurs ou non, soudables, d’un point de vue opératoire, et disponibles sous forme de fil.
Compte tenu des dimensions de pièces réalisables et des alliages considérés, les secteurs visés principalement sont l’aéronautique, le spatial, la défense, le transport (y compris le ferroviaire et l’automobile), l’énergie (y compris le nucléaire, les énergies renouvelables) et la pétrochimie.
Typiquement, l’objectif de l’invention est de permettre de fabriquer des pièces de grandes dimensions, à des vitesses de fabrication supérieures à 500cm3/h. Ce dispositif doit permettre de conserver une régularité du dépôt couche après couche grâce à une grande robustesse, malgré la vitesse de construction élevée pouvant être atteinte.
L’invention, illustrée à titre d’exemple schématique par la , est basée sur l’utilisation d’un laser (2), de type laser fibre, laser disk ou laser diodes émettant un faisceau conduit par fibre optique jusqu’à un bloc optique (3) produisant un faisceau focalisé (9) qui interagit avec un fil (6) injecté latéralement par rapport au faisceau laser. Cette interaction permet de fondre ce fil grâce à l’utilisation d’une densité d’énergie suffisamment élevée (faisceau focalisé).
Cinématique de l’installation
Le déplacement de la zone d’interaction (4) entre le faisceau laser (9) et le fil (6) (ou les fils lorsque l’installation prévoit l’alimentation avec plusieurs injecteurs de fils est assurée par une combinaison de deux mouvements :
  • Un déplacement principal, selon une trajectoire défini par la configuration de la pièce à réaliser, assuré par un bras robotisé ou un ensemble d'axes motorisés cartésiens assurant le déplacement de la platine (1) supportant le laser (2), le bloc optique (3) et la bobine d’alimentation ainsi que la tête d’alimentation en fil (6)
  • Un déplacement de modulation, selon une courbe fermée, assuré par un galvano-scanner ou par un ensemble motorisé (8) commandant un déplacement du laser (1) et du bloc optique (3) par rapport à la platine (1), selon deux axes perpendiculaires à l’axe du faisceau laser (9).
Le déplacement principal est déterminé par la géométrie de la pièce à réaliser, de manière connue à partir d’un fichier de définition numérique de la pièce par exemple permettant de générer les trajectoires de dépôts des différentes couches selon un chemin optimisé.
Préalablement à l'opération de dépôt, la définition numérique de la pièce est tranchée par une multitude de coupes parallèles entre elles. Ces coupes représentent les couches de matière à déposer, et l'épaisseur de chacune correspond à l'épaisseur des cordons déposés. Dans chacune de ces couches, le déplacement de la tête de dépôt est calculé pour couvrir la surface à l'aide de cordons de matière juxtaposés. Tous ces déplacements sont enregistrés dans un fichier constituant le programme pièce, ensuite lu par la commande numérique de la machine, qui pilote les différents axes motorisés de la machine.
Typiquement, la vitesse V de déplacement de la tête de dépôt est de l’ordre de quelques dizaines de centimètres par minutes, par exemple de 0,4 à 0,6 mètres par minute. Elle peut atteindre plusieurs mètres par minutes en fonction de la dimension souhaitée des cordons.
Le second déplacement dit de modulation, s’effectue au voisinage du point de fusion du ou des fils, selon une courbe, notamment une courbe fermée, définie par une forme pilotable, avec une amplitude longitudinale selon la direction de déplacement principal, et une amplitude transversale, selon la direction perpendiculaire à la direction de déplacement principal, dans le plan défini par la couche en formation. Typiquement, la trajectoire de modulation présente deux ou plusieurs points singuliers où la vitesse selon la direction de déplacement principal est nulle, s’effectue à une vitesse V supérieure à la vitesse de déplacement principale et. A titre d’exemple, le diamètre du fil est compris entre 1 et 4 millimètres, typiquement de 1,6 mm.
Ce déplacement de modulation présente des séquences de déplacement dans le même sens que la direction du déplacement principal alternant avec des séquences de déplacement dans le sens opposé à la direction du déplacement principal, pour chauffer la pièce en amont de la zone de dépôt de matière et ainsi amorcer le bain de fusion, permettant d'optimiser le couplage de l'énergie et le cycle thermique du procédé, et optimiser le cycle de température au moment de la dépose de matière sur la pièce ou entretenir le bain de fusion.
La courbe de ce déplacement de modulation prend typiquement la forme d’un « 8 » ou d’un cercle ou toute autre forme de motif. Ce déplacement de modulation est décrit par le faisceau laser à une fréquence réglable de plusieurs centaines de hertz, typiquement 250Hz .
Description d’un exemple de réalisation de l’invention
Le dispositif selon un exemple de réalisation de l’invention illustré par les figures 1 et 2 est constitué par une platine (1) actionnée par un bras robotisé.
Cette platine (1) supporte une fibre optique transportant le faisceau laser est connectée à un module optique comprenant un scanner et des optiques de mise en forme du faisceau produiit par une source laser (2) de forte puissance (plusieurs kW, jusqu’à plus de 10kW) associée à une optique (3) pour focaliser sur le fil en un point focal (4) correspondant à la zone d’interaction entre le faisceau laser et un fil métallique délivré par un système d’alimentation (7).
Le système d’alimentation (7) comporte un système motorisé piloté permettant de commander l’avancement du fil (6) jusqu’au système d’injection (5) avec une vitesse maximale de quelques mètres par minute, typiquement 4 à 6 mètres par minute voire 10 m/min. Elle comporte aussi une buse de refroidissement (15) et de diffusion d’un gaz neutre ou inerte pour protéger le bain de fusion de l'oxydation.
Un système de pilotage reposant sur l'utilisation d'une commande numérique permet de piloter à l'aide d'un scanner (8) le balayage du faisceau dans le plan focal (4) du système optique (2,3) suivant un motif et une fréquence programmés, et de déplacer cet ensemble suivant une trajectoire programmée, constituée de cordons juxtaposés permettant de couvrir toute la surface de la couche.".
La fonction de ce balayage est d’élargir la zone d’apport d’énergie, en venant fondre le fil (6) lors du passage sur celui-ci dans la zone d’interaction (4), tout en entretenant un bain de fusion dont la largeur est fixée par la dimension transversale par rapport au sens d’avance assuré par le bras robotisé.
L’amplitude de ce balayage, avec le système utilisé dans l’exemple décrit, atteint 10 mm, et les motifs sont réalisés avec une fréquence de 250Hz.
Le scanner (8) commande une trajectoire en forme de cercle, de 8, d’infini ou encore de tirets, présentant deux ou trois points singuliers (10 à 12) comme illustrés par les figures 3 et 4.
Cette fonction de balayage permet aussi de commencer à fondre superficiellement la surface de la pièce en amont du bain de fusion où s'effectue le dépôt du fil fondu et de délimiter plus précisément les bords du cordon de matière déposée.
Le fil (6) est injecté latéralement par rapport au faisceau (9), avec un angle , d’environ 30° ou moins. Cette injection latérale couplée au balayage du faisceau offre plusieurs avantages :
  • Cette configuration est peu sensible aux défauts d’alignement faisceau/fil. Même si le fil est un peu décalé, le faisceau pourra quand même le fondre avec la même efficacité.
  • Il devient possible d’utiliser plusieurs injections de fil (6, 16, 26) simultanées, dans le balayage du faisceau focalisé et permettant de fondre tous ces fils en même temps afin d’alimenter un même bain de fusion.
De cette utilisation de plusieurs fils fondus simultanément et d’une modulation contrôlée du faisceau laser (9), découlent plusieurs avantages :
  • Conserver le fil d’apport dans l’interaction du faisceau laser nécessite moins de finesse de réglage qu’avec un faisceau fixe, permettant de renforcer la souplesse opératoire du procédé,
  • Permettre l’utilisation de plusieurs fils d’apports en simultanés dans l’interaction du faisceau laser pour augmenter la vitesse de construction,
Dans le cas d’une utilisation en fil d’apport multiple, un « peigne » composé de plusieurs fil (6, 16, 26) peut être contrôlé individuellement de manière à sélectionner les fils souhaités dans l’interaction afin de modifier la morphologie du dépôt durant l’utilisation du procédé : par exemple dans le cas de cordons côte à côte, surtout quand les cordons sont larges, et afin d’assurer une meilleure géométrie de surface.
Le peigne constitué de plusieurs injections de fils peut être composé de fils de diamètres différents pour maitriser plus précisément la fusion du métal d’apport suivant les bords ou le centre du bain, et en fonction des paramètres de balayage.
Ces injections simultanées peuvent utiliser des natures de fil métallique différentes, permettant de faire varier les compositions chimiques en jouant sur les vitesses d’injection de chaque fil. Il devient alors possible de réaliser des gradients de matériaux, au fur et à mesure de la construction et avec une grande réactivité. En effet cette technique est également possible avec le procédé DED-poudre (exemple CLAD(r)) mais celui-ci souffre d’une inertie due au transport de la poudre dans les tuyaux limitant les variations de composition pendant la réalisation d’un cordon. Cette limitation est levée en utilisant l’injection simultanée différentielle des fils.
Le balayage du faisceau sur le ou les fils permet également d’utiliser des fils fourrés, ce qui permet de pouvoir travailler avec des fils à la composition adaptée au procédé, permettant par exemple de renforcer certains éléments d'alliage en cas de volatilisation pendant l'interaction avec le faisceau mais aussi d’étendre l’éventail des possibilités des fils utilisables, avec par exemple des matériaux non tréfilables,
Le pilotage des déplacements du balayage permet d’améliorer la régularité et la stabilité du bain de fusion et de faire varier la largeur du bain de fusion par l’ajustement de l’amplitude de balayage ainsi que la hauteur du bain de fusion en fonction des paramètres de modulation, , de la vitesse de déplacement selon la trajectoire principale.
Suivant la position du fil dans le motif de modulation, la partie du faisceau non absorbée par le fil préchauffe la pièce ou la couche précédente en amont du bain de fusion.
Le travail avec une grande focale offre l’avantage de travailler avec une grande profondeur de champ. Cette profondeur de champ apporte une grande souplesse opératoire suivant l’axe Z: les caractéristiques du faisceau changent peu sur une plage importante permettant ainsi de conserver les performances pour la fusion du fil et son dépôt sur la couche précédente. C'est un point important car dans ce cas des variations de profils n’auront qu’une influence limitée sur les caractéristiques du dépôt.
Enfin, cette configuration présente l’avantage de dégager complètement la zone d’interaction permettant ainsi :
  • D’utiliser des capteurs pour suivre l’interaction, mesurer les dépôts en temps réel, et sans que lesdits capteurs ne soient trop proches de l’interaction, les éloignant ainsi des sources de pollution (projections, fumées, …)
  • D'éloigner les optiques de focalisation et d’avoir ainsi la place de mettre en œuvre des moyens de protection efficaces pour garantir leur durée de vie. Par ailleurs ces moyens de protection sont souvent à base de lame d’air, qui peuvent perturber la qualité de la protection gazeuse du cordon déposé.
  • D’installer des moyens d’aspiration efficaces pour les fumées émises
  • D'avoir un encombrement limité idéal pour atteindre des zones difficiles d’accès, par exemple dans le cas de géométries compliquées ou de pièces demandant beaucoup de moyens de bridage.
Exemple de réalisation
La illustre la mise en œuvre de l’invention pour la fabrication additive d’une pièce-éprouvette présentant une section transversale en forme de « T ». Les flèches horizontales (20) représentent les trajectoires principales pour former une couche de l’une des barres de l’éprouvette, avec le numéro d’ordre de dépose, et les flèches verticales (30) représentent les trajectoires principales pour former une couche de l’autre barre de l’éprouvette.
Les caractéristiques de l’installation selon l’invention, pour cette réalisation mais également pour d’autres configurations de pièces à fabriquer sont les suivantes :
  • Matériau : Inconel 625
  • Taux de construction 505cm3/h
  • Puissance du laser utilisée : 7500W
  • Vitesse des trajectoires : 0.5m/min
  • Vitesse de dévidage du fil : 4.2m/min
  • Diamètre du fil utilisé : 1.6mm
  • Angle du fil d’apport : 59°
  • Longueur libre du fil : 20mm
  • Angle d’incidence du faisceau : Normal à la surface
  • Hauteur de couche : 2.2mm
  • Largeur d’un cordon : 12mm
  • Décalage latéral entre cordons : 6.4mm
  • Motif de modulation : Huit
  • Amplitude de modulation : 6mm
  • Fréquence de modulation : 250Hz
Pour l’exemple décrit, les dimensions de l’éprouvette sont :
  1. Hauteur : 80mm,
  2. Longueur des parois : 250mm
  3. Epaisseur des parois : 30mm
La trajectoire principale comprend des déplacements parallèles (20), dans l’exemple décrit un premier déplacement rectiligne dans un sens, sur une distance de 220 millimètres, puis un décalage selon la direction perpendiculaire, d’un pas de 6,4 mm et un retour en direction opposée, faisceau éteint, de 220 millimètres, et réitération pour couvrir la largeur de la branche en cours de réalisation.
Ensuite, la couche de la branche complémentaire est réalisée, avec des cycles équivalents, avec un espacement de 5 mm.
Ensuite, la tête de dépôt est décalée d'un incrément de 2.2m dans la direction normale à la surface de la couche déposée pour fabriquer la couche suivante, avec la même cinématique, en démarrant toutefois la première ligne du côté opposé à la première ligne de la couche précédente, et en décalant latéralement dans le sens opposé, de telle sorte que l’ordre de dépose de matière soit de type « 1 à 4 » pour une couche et « 4 à 1 » pour la couche suivante.
Performances atteintes avec l’invention
Le procédé doit ainsi permettre de fabriquer des pièces de grandes dimensions, à des vitesses de fabrication supérieures à 500cm3/h. Ce dispositif doit permettre de conserver une régularité du dépôt couche après couche grâce à une grande robustesse, malgré la vitesse de construction élevée pouvant être atteinte.
L’invention permet de répondre aux contraintes suivantes :
  • Permettre une vitesse de construction élevée (supérieure à 500cm3/h)
  • Réaliser des pièces de dimensions importantes (jusqu’à plusieurs mètres de longueur et plusieurs mètres de hauteur et largeur) grâce à un empilage de cordons successifs.
  • Rendre le procédé très stable avec une grande reproductibilité des cordons déposés et de leurs dimensions
  • Rendre possible la surveillance et le contrôle du procédé grâce à l’intégration de capteurs optiques et non optiques
  • Rendre le procédé robuste et tolérant, permettant le dépôt de nombreuses couches sans aucune intervention
  • Avoir une excellente gestion des aspects thermiques afin de pouvoir envisager des constructions sur des temps très longs en continu (plusieurs jours), et en limitant autant que possible les arrêts
  • Limiter les contraintes de mise au point et réglage
  • Limiter l’encombrement du système dans la zone d’interaction
  • Permettre l’adaptation d’un système d’injection de fil multiple
  • Permettre l’utilisation de fil de diamètres compris entre 0.8mm et 3.2mm.
  • Limiter le nombre de consommables liés à l’utilisation du procédé
  • Rendre le procédé facilement automatisable
  • Permettre le montage du procédé sur un système robotisé
  • Pouvoir utiliser des niveaux de puissance laser allant jusqu’à plus de 10KW.
Injection multi-fils
Il est avantageux d’injecter deux ou plusieurs fils dans la zone d'interaction afin de pouvoir fondre davantage de matière avec le même faisceau balayé. Cela permet d'augmenter la vitesse de construction. de plus le fait d'utiliser 2 fils en même temps permet d'avoir des vitesses d'avance du fil plus faibles qu'avec un seul fil et de mieux les contrôler, mais aussi de pouvoir étaler l'apport de matière sur la largeur du bain de fusion ce qui apporte une meilleure stabilité au procédé, et enfin cela permet de mieux utiliser l'énergie apportée par le faisceau en optimisant le rapport entre la surface totale balayée et la surface d'interaction entre le faisceau et les fils, tout en préservant la création et l'entretien du bain de fusion.
Injection de fils d’apport de natures différentes
En injectant différents fils d'apport aux compositions chimiques différentes, on peut agir sur la chimie de zone fondue. Ainsi, en jouant sur les vitesses d'avance de chacun des fils, il devient possible de faire varier la composition chimique de la zone fondue et ainsi de créer des gradients de composition et par conséquent de propriétés directement pendant la construction de la pièce.
En injectant des fils de diamètre différents de façon à apporter des quantités de matière adaptées dans chaque partie du bain de fusion. Ainsi avec 3 fils, on peut apporter des fils de plus gros diamètres sur les bords de la zone fondue pour pallier l'affaissement de la matière et les points de rebroussement où le faisceau reste plus longtemps, et un fil de plus petit diamètre au centre de la zone fondue où les vitesses de passage du faisceau sont les plus grandes.
Variante optionnelle
Une variante consiste à modifier en temps réel le pilotage pour adapter le motif de balayage à des besoins particuliers : plusieurs fils, changement de la géométrie du cordon déposé.
En particulier, la possibilité d'adapter le motif de balayage du faisceau laser aux différents fils injectés permet d'optimiser l'efficacité du couplage et ainsi mieux piloter la fusion de ceux-ci, tout en assurant le préchauffage de la pièce en amont du bain de fusion.
En cas de mise en œuvre de plusieurs fils d'apport, un injecteur spécifique est utilisé permettant de guider les différents fils dans la zone d'interaction suivant les angles souhaités. Cet injecteur comporte un corps refroidi efficacement par un circuit d'eau, et des embouts appelés 'tubes contact' vissés dans ce corps et interchangeables qui permettent d'injecter les fils au plus près de la zone d'interaction.

Claims (11)

  1. - Procédé de fabrication additive consistant à commander le déplacement sur la surface d'une pièce d’un équipement comportant au moins un laser (2) dont le faisceau (9) est focalisé sur la sortie d’une tête d’alimentation délivrant au moins un fil métallique (6) d’un diamètre D, ledit équipement étant commandé pour déplacer la zone d’interaction du faisceau (9) dudit laser (2) avec ledit au moins un fil (6) selon une trajectoire principale représentative de la géométrie de la pièce à fabriquer caractérisé en ce que ledit déplacement de la zone d’interaction est modulé par un balayage sur 2 axes selon une direction longitudinale parallèle au vecteur vitesse de ladite trajectoire principale et une direction transversale, normale au vecteur vitesse dans le plan focal, ladite déviation définissant une courbe balayée avec une vitesse supérieure à la vitesse de déplacement selon ladite trajectoire principale, ledit balayage sur 2 axes étant pilotée par un système de pilotage comportant des moyens de paramétrer pour chaque fabrication la loi de commande dudit balayage sur 2 axes.
  2. - Procédé de fabrication additive selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'axe de la tête d'alimentation du fil forme un angle compris entre 5 et 40° avec l'axe du faisceau laser.
  3. - Procédé de fabrication additive selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que ladite tête d’alimentation du fil d'apport comporte une pluralité de sorties de fils d’apport convergeant vers une zone d'interaction correspondant à l'intersection entre le balayage du faisceau sur 2 axes et la surface de la pièce sur laquelle est déposé le cordon.
  4. - Procédé de fabrication additive selon la revendication 1 caractérisé en ce que l’on procède à l’injection d’au moins deux fils dans la zone d'interaction.
  5. - Procédé de fabrication additive selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit système de pilotage est basé sur un automate et une commande numérique et commande une modulation du faisceau laser et un balayage sur les différents fils injectés.
  6. - Procédé de fabrication additive selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit au moins un fil métallique comporte au moins deux matériaux différents.
  7. - Procédé de fabrication additive selon la revendication 1 caractérisé en ce que le déplacement de la zone d’interaction est commandé pour assurer un préchauffage en amont du bain de fusion à l'aide du faisceau non absorbé par les fils.
  8. - Procédé de fabrication additive selon la revendication 1 caractérisé en ce que le déplacement de la zone d’interaction est modulé par ledit balayage 2 axes selon une forme adaptée à l'injection des fils d'apport de manière à assurer le préchauffage de la zone comprenant le fil et la pièce en amont du bain de fusion, la fusion du ou des fils d'apport ainsi que l'entretien du bain de fusion.
  9. - Procédé de fabrication additive selon la revendication 1 caractérisé en ce que le déplacement de la zone d’interaction est modulé par ledit balayage 2 axes selon une forme déterminée pour agir directement pendant le dépôt de matière sur la largeur du bain de fusion et ainsi les caractéristiques géométriques de la matière déposée.
  10. - Procédé de fabrication additive selon la revendication 1 caractérisé en ce que l’on injecte au moins deux fils d'apport aux compositions chimiques différentes.
  11. - Procédé de fabrication additive selon la revendication 1 caractérisé en ce que l’on injecte au moins deux fils d'apport de diamètres différents.
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