FR3127422A1 - Procédé de fabrication additive d’un objet en cuivre - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne un procédé de fabrication additive d’un objet en cuivre, le procédé étant un procédé de fabrication additive par dépôt de lit de poudre et fusion sélective, ledit objet étant fabriqué par la fusion sélective de couches de poudre superposées sur un support, la fusion sélective d’une couche de poudre étant obtenue par le déplacement, dit balayage, d’un faisceau laser sur ladite couche de poudre, la poudre utilisée par le procédé étant métallique et comprenant au moins 95% en masse de cuivre. Selon l’invention, chaque zone à fusionner de chaque couche de poudre est balayée au moins deux fois par le faisceau laser, le premier balayage du faisceau laser permettant de créer un film de nanoparticules en surface de la poudre présente dans chaque zone à fusionner, ce film de nanoparticules réduisant la réflectivité de la poudre dans chaque zone à fusionner, et le deuxième balayage du faisceau laser fusionnant la poudre dans chaque zone à fusionner grâce à la présence du film de nanoparticules créé par le premier balayage. Figure de l’abrégé : aucune
Description
La présente invention est relative à la fabrication additive par dépôt de lit de poudre et fusion sélective d’un objet en cuivre.
Plus précisément, l’invention vise à permettre la fabrication additive d’objets en cuivre ayant une densité de matière supérieure à 99%.
Le cuivre est utilisé dans de nombreuses applications pour son importante conductivité thermique et/ou son importante conductivité électrique. Par exemple, le cuivre est très fréquemment utilisé pour la réalisation des connections électriques à l’intérieur de toutes sortes d’appareils électriques.
En autorisant la fabrication de pièces complexes, la fabrication additive peut permettre de fabriquer des objets en cuivre proposant de nouvelles fonctions ou des fonctions améliorées.
Toutefois, la forte réflectivité du cuivre à la lumière et son importante conductivité thermique ne favorisent pas la mise en œuvre d’une fabrication additive par dépôt de lit de poudre et fusion sélective avec un faisceau laser. D’une part, la forte réflectivité du cuivre réduit fortement l’énergie transmise par le faisceau laser à la couche de poudre, et d’autre part, son importante conductivité thermique favorise la dissipation de la chaleur dans la couche de poudre par conduction et donc nuit à la qualité du bain de fusion.
Pour parer à ces difficultés, il est possible d’utiliser des poudres d’alliages du cuivre avec d’autres métaux comme le chrome ou le molybdène. Les documents JP2020059870 et WO201902122 prévoient de fabriquer des objets additivement avec de tels alliages.
Si les objets fabriqués avec ces alliages de cuivre peuvent convenir dans certaines applications, il existe aussi des applications, notamment électriques, dans lesquelles ces objets ne pourront pas être utilisés ou n’offriront pas les performances souhaitées car les métaux ajoutés, chrome ou molybdène, réduisent la conductivité électrique de l’objet fabriqué.
La présente invention a pour objectif de permettre la fabrication d’objets en cuivre par un procédé de fabrication additive par dépôt de lit de poudre et fusion sélective et à partir d’une poudre métallique comprenant au moins 95% en masse de cuivre.
Le document FR2980380 propose une stratégie de fabrication additive d’une pièce métallique par dépôt de lit de poudre et fusion sélective qui comprend, pour chaque couche de la pièce réalisée, au moins deux balayages successifs d’une même zone de la couche de poudre avec un faisceau laser ou un faisceau d’électrons.
Selon ce document FR2980380, ce double balayage permet de mieux contrôler le procédé de fabrication, de réduire les risques de fissuration et de générer des couches de matière de plus grande densité sans provoquer de gradients thermiques trop importants, ainsi que d'homogénéiser le matériau des pièces ainsi fabriquées.
Ce document FR2980380 évoque les alliages René 77, le TiAl ou un superalliage à base de nickel, mais il n’aborde pas la fabrication d’objets en cuivre.
De façon surprenante, il a été découvert par l’inventeur que l’utilisation d’un double balayage tel qu’il est décrit dans le document FR2980380 permet la fabrication additive d’objets en cuivre à partir d’une poudre métallique comprenant au moins 95% en masse de cuivre et permet la fabrication d’objets en cuivre ayant une densité de matière supérieure à 99%.
Aussi, l’invention a pour objet un procédé de fabrication additive d’un objet en cuivre, le procédé étant un procédé de fabrication additive par dépôt de lit de poudre et fusion sélective, ledit objet étant fabriqué par la fusion sélective de couches de poudre superposées sur un support, la fusion sélective d’une couche de poudre étant obtenue par le déplacement, dit balayage, d’un faisceau laser sur ladite couche de poudre, la poudre utilisée par le procédé étant métallique et comprenant au moins 95% en masse de cuivre.
Selon l’invention, chaque zone à fusionner de chaque couche de poudre est balayée au moins deux fois par le faisceau laser, le premier balayage du faisceau laser permettant de créer un film de nanoparticules en surface de la poudre présente dans chaque zone à fusionner, ce film de nanoparticules réduisant la réflectivité de la poudre dans chaque zone à fusionner, et le deuxième balayage du faisceau laser fusionnant la poudre dans chaque zone à fusionner grâce à la présence du film de nanoparticules créé par le premier balayage.
Avantageusement mais non obligatoirement, l’invention peut aussi prévoir que :
- les deux balayages de chaque zone à fusionner sont réalisés avec un faisceau laser dont la longueur d’onde est comprise entre 1030 nm et 1100 nm,
- le premier balayage s’effectue en mode conductif et le deuxième balayage s’effectue en mode «keyhole» ou « capillaire de vapeur »,
- chaque balayage de chaque zone à fusionner comprenant des vecteurs parallèles, l’espace inter-vecteurs lors du deuxième balayage est égal ou inférieur à l’espace inter-vecteurs lors du premier balayage,
- la taille du spot du faisceau laser est plus importante lors du premier balayage que lors du deuxième balayage,
- l’espace inter-vecteurs lors du deuxième balayage étant égal à l’espace inter-vecteurs lors du premier balayage, les vecteurs du deuxième balayage sont parallèles aux vecteurs du premier balayage et entrelacés par rapport aux vecteurs de ce premier balayage,
- chaque balayage de chaque zone à fusionner comprenant des vecteurs parallèles, les vecteurs du deuxième balayage ne sont pas parallèles aux vecteurs du premier balayage,
- la puissance du faisceau laser utilisé pour le premier balayage est supérieure ou égale à la puissance du faisceau laser utilisé pour le deuxième balayage,
- la vitesse de déplacement du spot du faisceau laser utilisé pour le premier balayage est supérieure ou égale à la vitesse de déplacement du spot du faisceau laser utilisé pour le deuxième balayage,
- l’objet en cuivre obtenu avec ce procédé de fabrication a une densité de matière supérieure ou égale à 99,6%.
- les deux balayages de chaque zone à fusionner sont réalisés avec un faisceau laser dont la longueur d’onde est comprise entre 1030 nm et 1100 nm,
- le premier balayage s’effectue en mode conductif et le deuxième balayage s’effectue en mode «keyhole» ou « capillaire de vapeur »,
- chaque balayage de chaque zone à fusionner comprenant des vecteurs parallèles, l’espace inter-vecteurs lors du deuxième balayage est égal ou inférieur à l’espace inter-vecteurs lors du premier balayage,
- la taille du spot du faisceau laser est plus importante lors du premier balayage que lors du deuxième balayage,
- l’espace inter-vecteurs lors du deuxième balayage étant égal à l’espace inter-vecteurs lors du premier balayage, les vecteurs du deuxième balayage sont parallèles aux vecteurs du premier balayage et entrelacés par rapport aux vecteurs de ce premier balayage,
- chaque balayage de chaque zone à fusionner comprenant des vecteurs parallèles, les vecteurs du deuxième balayage ne sont pas parallèles aux vecteurs du premier balayage,
- la puissance du faisceau laser utilisé pour le premier balayage est supérieure ou égale à la puissance du faisceau laser utilisé pour le deuxième balayage,
- la vitesse de déplacement du spot du faisceau laser utilisé pour le premier balayage est supérieure ou égale à la vitesse de déplacement du spot du faisceau laser utilisé pour le deuxième balayage,
- l’objet en cuivre obtenu avec ce procédé de fabrication a une densité de matière supérieure ou égale à 99,6%.
L’invention vise aussi un objet en cuivre fabriqué additivement avec le procédé selon l’invention, l’objet étant fabriqué couche par couche et ayant une densité de matière supérieure ou égale à 99,6%.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront dans la description qui va suivre, cette description étant donnée à titre d’exemple et non limitative.
L’invention est relative à un procédé de fabrication additive d’un objet en cuivre à partir d’une poudre métallique comprenant au moins 95% en masse de cuivre. Plus particulièrement, l’invention vise à permettre la fabrication additive d’un objet en cuivre ayant une densité de matière supérieure ou égale à 99,6%.
Dans le cadre de la fabrication additive, la densité de matière d’un objet fabriqué est directement liée à la qualité du bain de fusion et aux porosités créées dans l’objet par l’utilisation de la fusion sélective. Par exemple, un objet ayant une densité de matière égale à 100% ne contient aucune porosité, et un objet ayant une densité de matière égale à 90% contient 10% en volume de porosités, c’est-à-dire d’interstices remplis de gaz et non de matière solide. On cherche généralement à éviter les porosités car elles réduisent les caractéristiques mécaniques de l’objet fabriqué ainsi que ses conductivités électrique et thermique. La densité de matière d’un objet fabriqué est mesurée par coupe destructive de l’objet puis polissage et analyse d’image (mesure du ratio : trous/ matériau plein), par tomographie, avec le principe d’Archimède ou avec un pycnomètre.
Selon l’invention, le procédé utilisé est un procédé de fabrication additive par dépôt de lit de poudre et fusion sélective. La fabrication additive par dépôt de lit de poudre et fusion sélective est un procédé de fabrication additif dans lequel un ou plusieurs objets sont fabriquées par la fusion sélective de différentes couches de poudre de fabrication additive superposées les unes sur les autres. La première couche de poudre est déposée sur un support tel un plateau, puis fusionnée sélectivement à l’aide d’une ou plusieurs sources d’énergie ou de chaleur selon une première section horizontale du ou des objets à fabriquer. Puis, une deuxième couche de poudre est déposée sur la première couche de poudre qui vient d’être fusionnée, et cette deuxième couche de poudre est fusionnée sélectivement à son tour, et ainsi de suite jusqu’à la dernière couche de poudre utile à la fabrication de la dernière section horizontale du ou des objets à fabriquer.
Dans la présente invention, la fusion sélective d’une couche de poudre est obtenue par le déplacement, dit balayage, d’au moins un faisceau laser sur ladite couche de poudre.
Le procédé selon l’invention vise notamment à permettre la fabrication d’objets en cuivre avec un faisceau laser dont la longueur d’onde est comprise entre 1030 nm et 1100 nm, et se situant de préférence autour de 1080 nm.
Comparativement à un faisceau laser de longueur d’onde plus courte, et se situant par exemple autour de 532 nm, l’utilisation d’un faisceau laser dont la longueur d’onde est comprise entre 1030 nm et 1100 nm offre une plus grande distance focale et donc la possibilité de fabriquer des objets de plus grandes dimensions. De plus, un faisceau laser dont la longueur d’onde est comprise entre 1030 nm et 1100 nm offre un diamètre plus important, et donc une productivité plus importante, qu’un faisceau laser de longueur d’onde plus courte, et se situant par exemple autour de 532 nm.
Toutefois, sur une couche de poudre de cuivre, la réflectivité d’un faisceau laser dont la longueur d’onde est comprise entre 1030 nm et 1100 nm est plus importante que la réflectivité d’un faisceau laser dont la longueur d’onde est plus courte et se situe par exemple autour de 532 nm. Par conséquent, le faisceau laser de plus grande longueur d’onde offre un taux d’absorption moins élevé et transmet moins d’énergie à la poudre de cuivre que le faisceau laser de plus courte longueur d’onde. Le procédé selon l’invention vise notamment à remédier à cet inconvénient et à permettre la fabrication d’objets en cuivre avec un faisceau laser dont la longueur d’onde est comprise entre 1030 nm et 1100 nm.
A cet effet, le procédé selon l’invention prévoit que chaque zone à fusionner de chaque couche de poudre est balayée au moins deux fois par le faisceau laser, le premier balayage du faisceau laser permettant de créer un film de nanoparticules en surface de la poudre présente dans chaque zone à fusionner, ce film de nanoparticules réduisant la réflectivité de la poudre dans chaque zone à fusionner, et le deuxième balayage du faisceau laser fusionnant la poudre dans chaque zone à fusionner grâce à la présence du film de nanoparticules créé par le premier balayage.
Le film de nanoparticules créé par le premier balayage du faisceau laser est une couche mince de nanoparticules, recouvrant au moins en partie la couche de poudre à fusionner.
Une zone à fusionner d’une couche de poudre est une zone correspondant à la section d’un objet à fabriquer dans cette couche de poudre ou à la section d’un support d’un objet à fabriquer dans cette couche de poudre.
Le premier balayage d’une zone à fusionner par le faisceau laser a principalement pour objectif de créer le film de nanoparticules. Toutefois, il se peut aussi que la poudre soit partiellement fusionnée suite à ce premier balayage. Avantageusement, cette fusion partielle de la poudre suite au premier balayage ne nuit pas à la qualité de la fusion générée par le deuxième balayage, notamment parce que des nanoparticules sont aussi présentes sur la poudre partiellement fusionnée.
Le film de nanoparticules permet de réduire la réflectivité de la poudre en augmentant la rugosité de la surface de la couche poudre. Cette augmentation de la rugosité se traduit par une augmentation du nombre de cavités en surface de la poudre qui permettent de piéger les photons du faisceau laser et donc d’améliorer le transfert d’énergie entre le faisceau laser et la poudre lors du deuxième balayage. Comme il permet de piéger les photons et donc la lumière du faisceau laser, le film de nanoparticules présente aussi une couleur plus sombre que la poudre qu’il recouvre.
Pour donner un ordre d’idées, les nanoparticules ont une granulométrie environ 1000 fois inférieure à la granulométrie de la poudre utilisée dans le procédé selon l’invention. Par exemple, lorsque la poudre de cuivre a une granulométrie comprise entre 15 et 45 µm, ces nanoparticules ont une granulométrie comprise entre 25 et 75 nm.
Les nanoparticules peuvent être isolées ou agglomérées les unes aux autres. Dans le cas où les nanoparticules sont agglomérées les unes aux autres, elles permettent toujours de réduire la réflectivité de la poudre.
De préférence, le premier balayage s’effectue en mode conductif.
Il est à noter que, pour l’homme du métier s’essayant à la fabrication additive d’objets en cuivre, le résultat de ce premier balayage serait habituellement considéré comme un échec car la couche de poudre est peu ou pas fusionnée et car elle présente un aspect plus rugueux qu’auparavant. Il est donc probable que l’homme du métier s’arrêterait à ce premier balayage et chercherait des moyens d’améliorer la qualité de fusion lors de ce premier balayage.
Le procédé selon l’invention met donc en œuvre une première étape, à savoir le premier balayage, dont le résultat est généralement considéré comme un échec en raison de la mauvaise qualité de fusion de la poudre. Toutefois, dans la présente invention, l’augmentation de la rugosité de la poudre obtenue avec le premier balayage permet de réduire la réflectivité de la poudre et donc de garantir la bonne qualité de la fusion lors du deuxième balayage en améliorant le taux d’absorption de l’énergie du faisceau laser par la poudre lors de ce deuxième balayage.
La bonne qualité de fusion obtenue lors du deuxième balayage est notamment démontrée par le faible taux de porosités présentes dans un objet en cuivre fabriqué avec le procédé selon l’invention. Ainsi, un objet en cuivre obtenu avec le procédé de fabrication additive selon l’invention a une densité de matière supérieure ou égale à 99,6%.
Par exemple, les deux balayages de chaque zone à fusionner sont réalisés avec un faisceau laser dont la longueur d’onde est comprise entre 1030 nm et 1100 nm. Toutefois, le procédé selon l’invention peut aussi être mis en œuvre avec un faisceau laser dont la longueur d’onde est plus courte et se situe par exemple autour de 532 nm. Dans ce cas, le procédé selon l’invention servira surtout à augmenter la productivité.
De préférence, le deuxième balayage de chaque zone à fusionner s’effectue en mode « keyhole » ou « capillaire de vapeur ».
Par exemple, chaque balayage de chaque zone à fusionner comprend des vecteurs parallèles. Ces vecteurs parallèles sont par exemple disposés à intervalle régulier les uns des autres, cet intervalle se nommant espace inter-vecteurs. Cette technique de balayage est notamment connue sous le terme « hatching » ou hachurage.
De préférence, dans le procédé selon l’invention, l’espace inter-vecteurs lors du deuxième balayage est égal ou inférieur à l’espace inter-vecteurs lors du premier balayage. Autrement dit, le premier balayage peut être effectué avec des espaces inter-vecteurs plus grands, par exemple pour réduire le temps consacré à ce premier balayage. Par exemple, l’espace inter-vecteurs lors du premier balayage est compris entre 100 et 300 µm, et de préférence entre 150 µm et 200 µm.
Dans le cas où l’espace inter-vecteurs lors du deuxième balayage est égal à l’espace inter-vecteurs lors du premier balayage, les vecteurs du deuxième balayage sont par exemple parallèles aux vecteurs du premier balayage et entrelacés par rapport aux vecteurs de ce premier balayage. Un vecteur du deuxième balayage est entrelacé avec les vecteurs du premier balayage lorsque ce vecteur du deuxième balayage se situe entre deux vecteurs du premier balayage. Par exemple, un vecteur du deuxième balayage se situe entre deux vecteurs du premier balayage et à équidistance de ces deux vecteurs du premier balayage.
Eventuellement, dans le cas où chaque balayage de chaque zone à fusionner comprend des vecteurs parallèles, les vecteurs du deuxième balayage peuvent ne pas être parallèles aux vecteurs du premier balayage. Dans ce cas, on a donc un décalage angulaire entre les vecteurs du premier balayage et les vecteurs du deuxième balayage.
De préférence, dans le procédé selon l’invention, la puissance du faisceau laser utilisé pour le premier balayage est supérieure ou égale à la puissance du faisceau laser utilisé pour le deuxième balayage. Par exemple, la puissance du faisceau laser utilisée pour les deux balayages est comprise entre 700 et 1000 W. De préférence, la puissance du faisceau laser utilisé pour le premier balayage est au moins égale à 800 W.
De préférence, dans le procédé selon l’invention, la vitesse de déplacement du spot du faisceau laser utilisé pour le premier balayage est supérieure ou égale à la vitesse de déplacement du spot du faisceau laser utilisé pour le deuxième balayage. Autrement dit, il est possible de générer le film de nanoparticules avec un faisceau laser qui se déplace plus rapidement, mais il est préférable de conserver une vitesse modérée lors du deuxième balayage pour garantir une bonne qualité de fusion. Par exemple, ces vitesses de déplacement sont comprises entre 300 et 1000 m/s.
Eventuellement, dans le procédé selon l’invention, la taille du spot du faisceau laser est plus importante lors du premier balayage que lors du deuxième balayage. Par exemple, la taille du spot du faisceau laser lors d’un balayage peut être comprise entre 100 µm et 200 µm, et se situe de préférence entre 120 et 180 µm. La taille du spot du faisceau laser est par exemple mesurée sur la couche de poudre à fusionner.
La présente invention couvre aussi un objet en cuivre fabriqué additivement avec le procédé qui vient d’être décrit, l’objet étant fabriqué couche par couche et ayant une densité de matière supérieure ou égale à 99,6%. Il est à noter qu’un objet en cuivre fabriqué additivement avec le procédé selon l’invention offre une structure métallurgique propre aux objets fabriqués additivement et se distinguant de la structure métallurgique d’objets en cuivre fabriqués par d’autres procédés tels que la fonderie ou le forgeage par exemple. Par exemple, lorsque l’on découpe un objet fabriqué additivement couche par couche dans un plan perpendiculaire à ces couches, on peut distinguer, avec le matériel adapté, les différentes couches superposées et les cordons de fusion.
Claims (11)
- Procédé de fabrication additive d’un objet en cuivre, le procédé étant un procédé de fabrication additive par dépôt de lit de poudre et fusion sélective, ledit objet étant fabriqué par la fusion sélective de couches de poudre superposées sur un support, la fusion sélective d’une couche de poudre étant obtenue par le déplacement, dit balayage, d’un faisceau laser sur ladite couche de poudre, la poudre utilisée par le procédé étant métallique et comprenant au moins 95% en masse de cuivre, le procédé étant caractérisé en ce que chaque zone à fusionner de chaque couche de poudre est balayée au moins deux fois par le faisceau laser, le premier balayage du faisceau laser permettant de créer un film de nanoparticules en surface de la poudre présente dans chaque zone à fusionner, ce film de nanoparticules réduisant la réflectivité de la poudre dans chaque zone à fusionner, et le deuxième balayage du faisceau laser fusionnant la poudre dans chaque zone à fusionner grâce à la présence du film de nanoparticules créé par le premier balayage.
- Procédé de fabrication additive d’un objet en cuivre selon la revendication 1, dans lequel les deux balayages de chaque zone à fusionner sont réalisés avec un faisceau laser dont la longueur d’onde est comprise entre 1030 nm et 1100 nm.
- Procédé de fabrication additive d’un objet en cuivre selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le premier balayage s’effectue en mode conductif et dans lequel le deuxième balayage s’effectue en mode « keyhole » ou « capillaire de vapeur ».
- Procédé de fabrication additive d’un objet en cuivre selon l’une des revendications précédentes, dans lequel, chaque balayage de chaque zone à fusionner comprenant des vecteurs parallèles, l’espace inter-vecteurs lors du deuxième balayage est égal ou inférieur à l’espace inter-vecteurs lors du premier balayage.
- Procédé de fabrication additive d’un objet en cuivre selon la revendication 4, dans lequel la taille du spot du faisceau laser est plus importante lors du premier balayage que lors du deuxième balayage.
- Procédé de fabrication additive d’un objet en cuivre selon la revendication 4, dans lequel, l’espace inter-vecteurs lors du deuxième balayage étant égal à l’espace inter-vecteurs lors du premier balayage, les vecteurs du deuxième balayage sont parallèles aux vecteurs du premier balayage et entrelacés par rapport aux vecteurs de ce premier balayage.
- Procédé de fabrication additive d’un objet en cuivre selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel, chaque balayage de chaque zone à fusionner comprenant des vecteurs parallèles, les vecteurs du deuxième balayage ne sont pas parallèles aux vecteurs du premier balayage.
- Procédé de fabrication additive d’un objet en cuivre selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la puissance du faisceau laser utilisé pour le premier balayage est supérieure ou égale à la puissance du faisceau laser utilisé pour le deuxième balayage.
- Procédé de fabrication additive d’un objet en cuivre selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la vitesse de déplacement du spot du faisceau laser utilisé pour le premier balayage est supérieure ou égale à la vitesse de déplacement du spot du faisceau laser utilisé pour le deuxième balayage.
- Procédé de fabrication additive d’un objet en cuivre selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’objet en cuivre obtenu avec ce procédé de fabrication a une densité de matière supérieure ou égale à 99,6%.
- Objet en cuivre fabriqué additivement avec le procédé de l’une des revendications précédentes, l’objet étant fabriqué couche par couche et ayant une densité de matière supérieure ou égale à 99,6%.
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