FR3131238A1 - Dispositif de surveillance et/ou de contrôle de puissance d’un faisceau laser pour fabrication additive - Google Patents

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Abstract

L’invention concerne un dispositif de surveillance et/ou de contrôle de puissance d’un faisceau (10) émis par un laser, ledit faisceau étant adapté pour la fusion et/ou consolidation d’une matière dans un procédé de fabrication additive, comprenant un miroir semi-réfléchissant (20) agencé de sorte à prélever une partie (11) du faisceau laser, un détecteur optique (60), une sphère intégratrice (50), le détecteur optique (60) étant disposé sur une paroi intérieure (55) de ladite sphère intégratrice de sorte à mesurer l’intensité lumineuse à l’intérieur de ladite sphère intégratrice, et un dispositif de focalisation optique (52) agencé de sorte à focaliser la partie (11) prélevée du faisceau laser sur l’ouverture (54) dans la sphère intégratrice , de sorte que l’intensité lumineuse à l’intérieur de ladite sphère intégratrice est proportionnelle à la puissance du faisceau émis par ledit laser. Figure pour l’abrégé : Fig 4

Description

Dispositif de surveillance et/ou de contrôle de puissance d’un faisceau laser pour fabrication additive
La présente invention concerne de façon générale le domaine de la fabrication additive par faisceau laser.
Elle propose plus particulièrement un dispositif de contrôle de puissance d’un faisceau laser pour la fabrication additive et trouve avantageusement (mais non limitativement) application pour la fabrication additive métallique.
 Etat de la technique
La fabrication additive par consolidation d’une matière de départ à l'aide d’un faisceau émis par une source laser est classiquement connue. Un tel procédé de fabrication additive est par exemple la fusion sélective par laser (SLM, acronyme du nom anglo-saxon « Selective Laser Melting »), ou le dépôt d’énergie dirigée (DED, acronyme du terme anglo-saxon « Directed Energy Deposition »).
Dans un procédé du type SLM, on utilise un lit de poudre qui est déposé couche par couche dans une chemise de fabrication, et on irradie les couches déposées par un faisceau laser dans les zones qui constitueront la pièce à fabriquer. Un scanner qui comprend typiquement des éléments optiques tels que des miroirs et un dispositif mécanique pour orienter le faisceau, est utilisé pour irradier les différentes zones dans le plan du lit de poudre.
La poudre, typiquement une poudre métallique, fond ainsi localement de manière sélective et la solidification des couches successives forme progressivement la pièce. Après irradiation de la dernière couche, la pièce refroidit et est retirée de la chemise remplie poudre.
Dans un procédé du type DED, une buse de fabrication disposée sur un porteur cartésien ou robotique est alimentée par une poudre ou un fil de matière. La buse comprend en outre une source d’énergie tel qu’un faisceau laser, qui est typiquement guidé par une fibre optique. La poudre ou le fil de matière est fondu à la sortie de la buse de fabrication et déposée in-situ, avant solidification, sur une zone où l’objet doit être fabriqué. On peut ainsi construire un objet, en déposant de la matière successivement couche par couche. Cette technologie est adaptée pour des matières variées, telles que le métal, le plastique et la céramique.
La consolidation de la matière de départ, notamment d’une poudre métallique, dans un procédé de fabrication additive nécessite à la fois une puissance importante, et un contrôle fin de la puissance et de l’intensité du faisceau laser. On mesure typiquement la puissance du faisceau incident en provenance du laser, et effectue un contrôle de fusion sur le faisceau en aval du procédé de fabrication de la pièce. La présente invention concerne la mesure de la puissance du faisceau incident.
La illustre un dispositif de contrôle de puissance laser dans une machine de fabrication additive connue. Un faisceau incident 10 émis par un laser est guidé, sur un dispositif de consolidation de matière, soit un scanner pour un procédé SLM, soit une tête optique connectée à une buse de fabrication pour un procédé DED. Le faisceau 10 présente en général une répartition d'énergie généralement gaussienne du fait de son procédé de génération.
Une partie 11 du faisceau (typiquement inférieure à 5%) est prélevée en aval du dispositif de fusion de poudre par un miroir semi-réfléchissant 20. La partie 11 prélevée est orientée sur une photodiode 40, par exemple par l’intermédiaire d’un réflecteur passif 31. On utilise des filtres optiques 32 afin de baisser l’intensité et éviter d’endommager la photodiode 40. Le miroir semi-réfléchissant, le réflecteur 31 et les filtres 32 ne modifient pas la répartition d’énergie du laser. La photodiode 40 est alignée de manière précise sur le centre du faisceau. Cet alignement est effectué en fonction de l’intensité maximale du profil gaussien qui est facilement détectable. La distribution spatiale de puissance du faisceau est connue, ce qui permet une extrapolation fiable sur la puissance globale du faisceau.
La partie majeure 12 du faisceau après prélèvement est utilisée en tant que source d’énergie dans le procédé de fabrication additive. Un faisceau réfléchi 13 pendant ce procédé peut être récupéré par le miroir semi-réfléchissant 20 pour une mesure de contrôle de fusion par une photodiode 130.
Cependant, dans certains procédés de fabrication additive, il est préférable d'utiliser un faisceau laser à répartition d'énergie uniforme, connu sous le terme « top-hat » (selon le terme anglo-saxon pour un chapeau haut-de-forme) en raison de son profil d’intensité quasi-uniforme sur un disque circulaire dont le diamètre est supérieur à la moitié du diamètre à mi-hauteur du faisceau laser. On envisage également l’utilisation des lasers multimodes, présentant une répartition d’énergie spatiale annulaire, sous forme de plusieurs anneaux concentriques, voire une répartition d’énergie très complexe. L’utilisation des lasers multimodes permettent d’augmenter la puissance du faisceau et/ou de diminuer le coût du système. Dans certains cas, l’interaction entre le faisceau laser et la matière est mieux adaptée au procédé de fabrication additive.
Un dispositif de contrôle utilisant une photodiode 40 aligné selon le profil énergétique du faisceau 11 n’est pas adapté pour le contrôle de la puissance des faisceaux lasers à profil non-gaussien et en particulier des profils complexes tels que les profils multimodes et les profils du type top-hat. Ces profils présentent une intensité spatialement variable telle que représenté sur les figures 2A à 2H. Dans le cas d’un faisceau d’un laser en fonctionnement multimodes, on ne trouve souvent aucun maximum d’intensité au centre du faisceau. Dans le cas d’un faisceau du type top-hat, on trouve un maximum d’intensité central, il est cependant peu prononcé et présente une étendue large. Il n’y a donc pas de maximum d’intensité définissant une zone centrale précise sur laquelle la position de la photodiode pourrait être ajustée.
En outre, dans le cas d’un laser multimodes, plusieurs zones distinctes présentant des intensités importantes peuvent apparaitre à une certaine distance spatiale du centre du faisceau. Même en ajustant la position d’une photodiode, la mesure ne peut être que partielle et ne peut concerner que l’une de ces zones du spot du faisceau laser. Il n’est pas possible de mesurer ou d’estimer toute l’intensité du faisceau laser.
Un but de l’invention est de mettre à disposition un dispositif de surveillance et/ou contrôle de puissance laser pour un procédé de fabrication additive, permettant une mesure continue précise de la puissance émise par le faisceau, quel que soit son profil énergétique.
A cet objectif, l’invention propose un dispositif de surveillance et/ou de contrôle de puissance d’un faisceau émis par un laser, ledit faisceau étant adapté pour la fusion et/ou consolidation d’une matière de départ dans un procédé de fabrication additive, ledit dispositif comprenant un miroir semi-réfléchissant agence de sorte à prélever une partie du faisceau laser en amont de la matière de départ à fusionner et/ou consolider, et un détecteur optique, caractérisé en ce le dispositif comprend en outre
  • une sphère intégratrice, le détecteur optique étant disposé sur une paroi intérieure de ladite sphère intégratrice de sorte à mesurer l’intensité lumineuse à l’intérieur de ladite sphère intégratrice, et
  • un dispositif de focalisation optique agencé de sorte à focaliser la partie prélevée du faisceau laser dans la sphère intégratrice, de sorte que l’intensité lumineuse à l’intérieur de ladite sphère intégratrice est proportionnelle à la puissance du faisceau émis par ledit laser.
Un tel dispositif permet l’utilisation d’un profil de répartition de puissance quelconque. Il permet donc un gain en puissance et/ou en précision du faisceau laser. Un gain en puissance engendre un gain en vitesse de production.
En outre, la liberté du choix du type de laser permet de choisir un modèle moins encombrant et/ou complexe à alimenter, et ainsi diminuer l’encombrement et la complexité d’agencement dans la machine
De préférence, le dispositif comprend en outre une lame de prélèvement adaptée pour prélever une sous-partie de la partie prélevée du faisceau laser et un absorbeur optique agencé sur un côté de la lame de prélèvement (57) opposé au côté de cette lame de prélèvement qui reçoit la partie prélevée du faisceau laser et qui émet la sous-partie de cette partie prélevée du faisceau laser.
Dans certains modes de réalisation, le dispositif de focalisation optique comprend une lentille convergente. Dans d’autres modes de réalisation, le dispositif de focalisation optique comprend un agencement de plusieurs lentilles.
De manière avantageuse, le détecteur optique est une photodiode. De préférence, le détecteur optique est adapté pour mesurer la puissance pour une longueur d’onde comprise entre 400 et 1100 nm, et de préférence comprise entre 1030 et 1100 nm.
L’invention se rapporte aussi à un système de fabrication additive par fusion sélective par laser (SLM), comprenant une enceinte, un dispositif de dépôt de couches successives d’une poudre de matière sur un support, au moins une source laser émettant un faisceau laser adapté pour solidifier progressivement et de manière sélective au moins une partie desdites couches, et un dispositif tel que décrit ci-dessus, de sorte à prélever une partie du faisceau émis par ladite source laser et de déterminer la puissance dudit faisceau par la mesure d’une intensité lumineuse à l’intérieur de la sphère intégratrice.
L’invention se rapporte aussi à un système de fabrication additive par dépôt d’énergie dirigée (DED), comprenant au moins une source laser émettant un faisceau laser adapté pour solidifier un matériau de départ, une buse de fabrication comprenant au moins un orifice configuré pour distribuer de manière sélective ladite matière de départ et un orifice à travers lequel ledit faisceau laser sort de la buse, ledit système comportant une fibre optique adaptée pour guider le faisceau laser vers ladite buse de fabrication, et un dispositif de contrôle de puissance de laser tel que décrit ci-dessus.
L’invention concerne également un procédé de surveillance et/ou de contrôle de puissance d’un faisceau laser émis par une source laser, comprenant les étapes suivantes :
  • le prélèvement d’une partie d’un faisceau émis d’un laser
  • la focalisation de ladite partie prélevée du faisceau dans une sphère intégratrice
  • la mesure de la puissance à l’intérieur de la sphère intégratrice par un détecteur optique,
  • l’utilisation de la portion non-prélevée du faisceau pour fusionner et/ou consolider une matière de départ dans un procédé de fabrication additive.
De manière avantageuse, le procédé de contrôle de puissance d’un faisceau, comprend en outre une étape de transmission de données du détecteur optique vers un microprocesseur, et une étape de réglage d’intensité du faisceau laser provenant de la source laser. Cette étape de transmission permet un réglage en continu pour un laser en fonctionnement multimodes, même en cas de saut de modes.
 Brève description des figures
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront de la description détaillée qui va suivre, en référence aux dessins annexés, sur lesquels :
La est une vue schématique d’un trajet de faisceau dans un dispositif de fabrication additive connu.
Les figures 2A à 2H sont des représentations de plusieurs profils de répartition de puissance laser différents.
La est une vue schématique d’un trajet de faisceau dans un dispositif de fabrication additive selon un mode de réalisation de l’invention.
La est vue en coupe d’un dispositif de contrôle de puissance selon l’invention.
La est une vue schématique du trajet de faisceau dans un dispositif de contrôle de puissance selon un mode de réalisation de l’invention.
La est une vue schématique du trajet de faisceau dans un dispositif de contrôle de puissance selon un mode de réalisation de l’invention.
La est une vue schématique des étapes d’un procédé de contrôle de puissance selon l’invention.
Description détaillée de modes de réalisation
La illustre un dispositif de surveillance et/ou de contrôle de puissance laser selon l’invention, intégré dans une machine de fabrication additive. La machine peut être une machine de SLM ou une machine de DED ou toute autre machine de fabrication additive utilisant un ou plusieurs faisceaux laser en tant que source d’énergie pour la consolidation d’une matière de départ.
La matière de départ est typiquement une poudre métallique, mais elle peut également être une poudre plastique ou une poudre céramique ou une matière sous une autre forme qu’une poudre, par exemple sous forme d’un filament.
Source laser
La machine de fabrication additive comprend une ou plusieurs sources laser émettant un ou plusieurs faisceaux laser 10. Une telle source laser peut être un laser solide, un laser à fibre optique, une diode laser ou tout autre source laser adaptée pour la consolidation d’une matière de départ dans un procédé de fabrication additive. De manière illustrative et non limitative, dans le cas d’une machine de fabrication additive du type SLM la source laser est typiquement un laser à fibre optique émettant un faisceau d’une longueur d’onde infrarouge, par exemple d’une longueur d’onde de 1064 nm. Cependant, le dispositif de surveillance et/ou contrôle de puissance selon l’invention peut être utilisé pour tout autre type de source laser et tout autre longueur d’onde, par exemple dans le spectre de la lumière visible.
La ou les sources laser peuvent être utilisées en mode monomode ou multimode. Elles peuvent comprendre des éléments optiques pour ajuster leur mode de fonctionnement et la forme et distribution de puissance du faisceau émis. La ou les sources laser émettent un faisceau laser présentant un profil de répartition de puissance quelconque. Par exemple, le profil de répartition de puissance est un profil du type top-hat dans lequel la puissance est constante sur une zone donnée autour du centre du faisceau. De manière alternative, le profil présente une distribution de puissance gaussienne dans laquelle la puissance diminue avec l'augmentation de la distance radiale à partir du centre du faisceau. Dans d’autres modes de réalisation, le profil présente une distribution complexe voir très complexe d’un laser en fonctionnement multimode, ou le profil est une superposition de plusieurs distributions différentes.
La ou les sources laser peuvent être agencées à l’intérieur d’une chambre de fabrication dans la machine de fabrication additive. De préférence, une ou plusieurs sources laser peuvent être agencées à l’extérieur de la chambre, et chaque faisceau émis par la ou les sources laser pénètre dans la chambre de fabrication en passant par une vitre transparente à la longueur d’onde du faisceau. Chaque faisceau peut être dévié par un ou plusieurs miroirs passifs qui guident le faisceau de la source laser vers une tête de fabrication additive ou un dispositif de balayage qui dirige chaque faisceau sur la matière à consolider pendant le procédé de fabrication additive. Ainsi, on peut agencer la ou les sources laser dans la machine de fabrication additive selon leur encombrement et leurs contraintes spécifiques, par exemple concernant le refroidissement et l’alimentation électrique.
Par la suite, l’invention sera décrite pour le cas d’un faisceau laser sans pour autant limiter la portée de l’invention à ce type de machines. L’invention peut être appliquée de même manière à une machine de fabrication additive utilisant plusieurs faisceaux laser similaires ou différents.
Le faisceau laser incident présente un diamètre et un profil de répartition de puissance adapté au procédé de fabrication additive utilisé. En général, les miroirs passifs utilisés pour guider le faisceau conservent le diamètre et le profil de répartition de puissance.
Trajet du faisceau laser
En référence à la et comme dans le dispositif connu illustré dans la , un miroir semi-transparent 20 est disposé dans la machine de fabrication additive et prélève une partie 11 du faisceau 10 émis par la source laser. Le rapport de réflexion/transmission du miroir semi-transparent 20, est essentiellement indépendant de la puissance et de la répartition spatiale de la puissance du faisceau laser incident. La majeure partie 12 du faisceau passant à travers le miroir semi-transparent est utilisée dans la même machine pour la consolidation de la matière de départ dans le procédé de fabrication additive.
La partie prélevée 11 du faisceau est dirigée par le miroir semi-transparent et, de manière optionnelle, par d’autres éléments optiques tels qu’un réflecteur passif 31, vers un module de mesure 500. Dans ce module 500 on mesure la puissance totale de la partie 11 du faisceau laser prélevée et donc du faisceau laser incident 10.
Une vue détaillée d’un module 500 de mesure selon l’invention est représentée sur la . Le module de mesure 500 comprend un dispositif de focalisation 52 et une sphère intégratrice 50 dans laquelle est agencée un détecteur optique 60. Le détecteur optique 60 est par exemple une photodiode, ou tout autre détecteur adapté pour mesurer une puissance d’un faisceau laser présentant la même longueur d’onde que le faisceau laser incident 10. La sphère intégratrice 50 présente une ouverture 54 dans laquelle la partie prélevée 11 du faisceau est dirigée. L’ouverture 54 présente une section qui est typiquement inférieure à la section du faisceau laser incident 10. Le module de mesure 500 peut en outre comprendre une lame de prélèvement 57 et un dispositif d’absorption 51. D’autres éléments optiques peuvent être présents dans le module 500 afin de faciliter l’intégration dans la machine. De tels éléments optiques sont par exemple des miroirs réflecteurs passifs, des filtres, des fibres optiques ou tout autre dispositif ne modifiant pas la puissance du faisceau, ou modifiant la puissance du faisceau d’une manière linéaire et reproductible.
La partie prélevée 11 du faisceau est dirigée à travers l’ouverture 54 de la sphère intégratrice 50. En aval de ladite ouverture 54, la partie prélevée 11 du faisceau est concentrée par le dispositif de focalisation 52 de sorte que sa largeur soit minimale au passage de l’ouverture 54 de la sphère intégratrice 50.
La puissance de la partie prélevée 11 du faisceau peut davantage être réduite par la lame de prélèvement 57 qui est typiquement un deuxième miroir semi-transparent. Une telle réduction peut être nécessaire, par exemple, pour diminuer la puissance du faisceau et l’adapter à la spécification d’un capteur optique. Le rapport de réflexion/transmission de la lame de prélèvement 57 est choisi en fonction de la puissance du laser incident 10 et ainsi adapté à la puissance de la partie prélevée 11 du faisceau, et aux paramètres du détecteur 60 agencé dans la sphère intégratrice 50. Quand on utilise une telle lame de prélèvement 57, un dispositif d’absorption 51 est agencé sur un côté de cette lame de prélèvement 57 opposé au côté de cette lame de prélèvement qui reçoit la partie 11 prélevée du faisceau laser et qui émet la sous-partie 111 de cette partie 11 prélevée du faisceau laser. Afin de prévenir une fuite du faisceau transmis par la lame de prélèvement vers l’extérieur du module 500 et ainsi prévenir tout risque d’incendie, de brulure ou de blessure par le faisceau laser.
Le dispositif de focalisation 52 est typiquement une lentille convergente, par exemple une lentille convexe. Dans certains modes de réalisation, le dispositif de focalisation 52 est un système convergent comprenant plusieurs lentilles. De manière alternative, le dispositif de focalisation 52 peut être un miroir convergent agencé de sorte à diriger la partie prélevée 11 du faisceau à travers l’ouverture 54 de la sphère intégratrice 50. Dans le cas de présence d’une lame de prélèvement 57, le dispositif de focalisation 52 peut être intégré dans la lame de prélèvement 57. Dans ce cas, la lame de prélèvement 57 et le dispositif de focalisation 52 sont formés par un miroir convergent semi-transparent.
En référence à la , le dispositif de focalisation 52 peut être agencé en aval de la lame de prélèvement 57 et du dispositif d’absorption 51. En référence à la , le dispositif de focalisation 52 peut être agencé en amont de la lame de prélèvement 57 et du dispositif d’absorption 51. Il est en outre possible que le système de focalisation 52 comprenne plusieurs lentilles dont au moins une lentille agencée en amont et au moins une lentille agencée en aval de la lame de prélèvement 57. La dimension et l’orientation de la lame de prélèvement 57 sont adaptées en fonction du dispositif de focalisation 52 et de la position de ce dispositif 52 par rapport à la lame de prélèvement 57.
Les matériaux et surfaces des éléments optiques sont adaptés à la puissance et à la longueur d’onde du faisceau laser 10.
Comme illustré sur la , la sphère intégratrice 50 est une sphère creuse qui est typiquement en métal, en verre ou en céramique. La surface intérieure possède un facteur de réflexion diffuse élevé pour au moins la longueur d’onde du faisceau laser incident 10. Typiquement, la surface intérieure comprend un revêtement ou une peinture qui peut être en sulfate de baryum ou d’un composite de polytétrafluoroéthylène (PTFE) pour un faisceau dans la gamme spectrale de la lumière visible, ou en or pour un faisceau laser infrarouge. La sphère intégratrice 50 comporte une ouverture 54 qui est typiquement inférieure à la largeur du faisceau incident 10 et au diamètre de la sphère creuse.
A l’intérieur de la sphère intégratrice 50, les faisceaux lumineux provenant de n'importe quel point de la surface interne de la sphère sont distribués, en raison des multiples réflexions diffuses, de façon égale à tous les autres points de la sphère quelle que soit la direction originale de la lumière. La sphère intégratrice 50 peut être considérée comme un diffuseur qui conserve la puissance mais détruit l'information spatiale.
Sur une paroi interne 55 de la sphère intégratrice 50 est agencé un détecteur optique 60 adapté pour la mesure d’une intensité lumineuse, par exemple une photodiode. Le détecteur optique 60 est préférablement agencé de manière transversale par rapport à un faisceau passant par l’ouverture 54 de la sphère creuse, de sorte qu’il ne se trouve pas sur le trajet direct d’un tel faisceau. De manière illustrative et non limitative, la trajectoire entre le point central de la sphère creuse et le détecteur 60 peut former un angle droit avec la trajectoire entre le point central de la sphère creuse et l’ouverture 54. Ainsi, le détecteur 60 n'est pas exposé de manière directe à un faisceau incident dans la sphère intégratrice 50.
Si le procédé de fabrication additive n’utilise pas la largeur complète du faisceau incident 10, des diaphragmes peuvent être utilisés à différents endroits du trajet du faisceau 10, 11, 12 de sorte que le profil de puissance du faisceau 111 entrant la sphère intégratrice 50 reste une image du profil de puissance du faisceau 12 utilisé pour le procédé de fabrication additive.
Dans certains cas, la machine de fabrication additive comprend une fibre optique, par exemple pour guider le faisceau de fabrication 12 vers une tête de fabrication dans une machine de DED. Dans ce cas, le dispositif de surveillance et de contrôle est de préférence agencé en aval de la source laser et en amont de la fibre optique. De manière illustrative et non limitative, le miroir semi-transparent 20 peut être agencé en amont d’un dispositif de focalisation utilisé pour focaliser le faisceau laser 12 dans la fibre optique.
Profil de répartition de puissance du faisceau
Le faisceau laser 10 émis de la source laser présente une puissance et un diamètre initial. La section du faisceau 10 présente une répartition de puissance selon un profil qui peut, dans certains cas, présenter une symétrie de rotation continue ou discrète. Dans certains cas on observe également des profils non symétriques. Quelques exemples de profils de répartition de puissance en perspective sont illustrés dans les à 2H. La représentation en haut de chaque à 2H respective illustre la répartition de puissance dans un plan perpendiculaire à la direction du faisceau laser, et la représentation en bas de chaque figure respective 2A à 2H illustre la répartition de la puissance en perspective. Dans cette représentation, les hauteurs correspondent aux intensités maximales et les zones plates correspondent aux intensités minimales. Un tel profil peut être un profil du type gaussien comme illustré sur les figures 2A et 2B, un profil multi-modes plus ou moins complexe comme illustré sur les figures 2C à 2G, ou un profil du type top-hat comme illustré sur la tel que décrit ci-dessus.
Le profil de répartition 70a de la puissance laser de la partie prélevée 11 correspond au profil du faisceau incident 10, cependant il est proportionnellement plus faible en termes de puissance selon le rapport de réflexion/transmission du miroir semi-réfléchissant 20. La partie prélevée 11 présente donc une section similaire à la section transversale du faisceau laser incident 10, dont la puissance est atténuée proportionnellement sur toute l’étendue de la section. Le diamètre du faisceau 10, 11 reste constant lors de la réflexion au miroir semi-transparent.
Un réflecteur passif, qui est souvent utilisé dans une machine de fabrication additive afin d’ajuster le cheminement du faisceau 10, 11,12 aux contraintes mécaniques de la machine, modifie la direction du faisceau laser 10, 11, 12. Cependant, le réflecteur passif ne modifie ni le diamètre ni le profil du faisceau laser 10, 11, 12.
La lame de prélèvement 57 est un miroir semi-transparent. La partie 111 du faisceau prélevée par une telle lame 57 présente un profil de répartition de puissance 70a similaire au profil de la partie 11 du faisceau laser prélevée par le miroir 20. La puissance du faisceau prélevé par la lame de prélèvement 57 est atténuée proportionnellement sur toute l’étendue de la section selon le rapport de réflexion/transmission de la lame de prélèvement 57. Le diamètre et la section du faisceau 11, 111 restent constants lors de la réflexion par la lame de prélèvement 57. La partie 111 présente donc également un profil et une section similaire au profil et à la section du faisceau incident 10 et à la section du faisceau de fabrication 12. La puissance est atténuée proportionnellement sur toute l’étendue de la section selon les rapports de réflexion/transmission de la lame de prélèvement 57 et du miroir semi-transparent 20.
Le dispositif de focalisation 52 concentre la partie prélevée 11, 111 du faisceau laser en diminuant son diamètre, de sorte que le diamètre soit réduit sur un point au plan focal du dispositif de focalisation 52. La puissance totale du faisceau 11, 111 reste constante. Le diamètre du faisceau 11, 111 et l’extension spatiale du profil de puissance sont proportionnellement réduits lors du passage par le dispositif de focalisation 52. La puissance sur chaque zone du profil est proportionnellement augmentée, de manière à conserver la puissance globale du faisceau 11, 111.
A l’entrée de la sphère intégratrice 50, le faisceau prélevé 11, 111 présente donc un profil de puissance 70b atténué par un facteur connu et spatialement réduit selon le plan focal du dispositif de focalisation 52. La répartition spatiale de puissance correspond à une image réduite de la répartition du faisceau incident 10.
La partie 11, 111 du faisceau focalisé dans l’ouverture 54 de la sphère intégratrice 50 est orientée sur la surface diffusante de la sphère creuse et subit ainsi une diffusion multiple à l’intérieur de la sphère intégratrice 50, produisant une intensité lumineuse homogène et proportionnelle à la puissance du faisceau 11, 111 entrant la sphère intégratrice 50. Le détecteur optique 60 agencé sur la paroi intérieure 55 de ladite sphère intégratrice 50 reçoit donc une intensité lumineuse proportionnelle à la puissance du faisceau incident 10 émis par la source laser.
La mesure de la puissance est proportionnelle à la puissance totale du faisceau incident 10, et indépendante de la répartition de puissance du faisceau 10, 11, 111. Ainsi, on peut utiliser le même dispositif lors d’un changement du profil de répartition de puissance du faisceau incident 10, par exemple après un changement des paramètres de la source laser ou un changement de la source laser, ou lors de variations du profil de répartition de puissance du faisceau incident 10 dans le temps.
Mesure et contrôle de puissance
Le détecteur optique 60 mesure une intensité qui est proportionnelle à la puissance globale du faisceau laser incident 10 émis par la source laser, indépendamment de la répartition de la puissance sur la section du faisceau 10, 11, 111.
On peut effectuer des mesures de puissance ponctuelles, par exemple pour ajuster une source laser ou un dispositif de fabrication additive. On peut effectuer des mesures régulières afin d’assurer le bon fonctionnement de la machine, par exemple en début de fabrication ou à certaines étapes prédéfinies lors de la fabrication additive d’un objet.
De manière alternative, on peut utiliser le dispositif pour mettre en place un contrôle continu du faisceau laser incident 10. Dans ce cas, les intensités lumineuses mesurées par le détecteur 60 sont transmises à un système électronique de contrôle 80, qui comprend par exemple un microcontrôleur. Le système électronique de contrôle 80 peut calculer la puissance du faisceau laser 10, 11, 12 à partir de l’intensité lumineuse mesurée, et comparer la puissance calculée avec une puissance cible adaptée pour le procédé de fabrication additive. Quand la puissance est supérieure à la puissance cible, le système électronique de contrôle 80 déclenche une baisse de la puissance de la source laser, et quand la puissance est inférieure à la puissance cible, le système électronique de contrôle 80 déclenche une augmentation de la puissance de la source laser. On peut ainsi finement régler la puissance du faisceau incident 10, ou programmer une hystérèse pour éviter des manipulations trop fréquentes de la source laser. Un tel réglage assure la bonne puissance du faisceau de fabrication 12 pendant tout le procédé de fabrication additive dans la machine équipée du dispositif de contrôle. Ainsi, on assure une température de consolidation de matière constante pendant le procédé de fabrication additive. Une température de consolidation constante permet d’éviter des tensions dans le matériau formé pendant le procédé de fabrication additive. Ainsi, on obtient des propriétés de matériau homogènes et une bonne qualité des pièces à fabriquer dans la machine.
La illustre de manière schématique les étapes d’un tel processus de contrôle. L’intensité lumineuse du faisceau incident 10 est déterminée par le détecteur optique 60 dans une étape de mesure 600. Pendant une étape de transmission 610 les données sont communiquées au système électronique de contrôle 80. Le système électronique de contrôle déclenche ensuite une étape de réglage 800 de la source laser émettant le faisceau incident 10.
Dans certains faisceaux laser du type multimode, la répartition de puissance peut changer de manière abrupte lors d’un changement de mode de laser, par exemple en raison d’une variation de température, de l’alimentation électrique, ou d’une vibration mécanique. Un changement de profil abrupt peut également se produire lors d’un réglage de puissance via le dispositif de contrôle. Quand la puissance globale du faisceau reste constante lors d’une telle variation de répartition, le faisceau laser peut toujours être utilisé pour le procédé de fabrication additive et le système de contrôle continue à fonctionner. Si l’intensité globale subit une variation importante, on peut régler la source laser pour compenser la variation ou arrêter le procédé de fabrication additive. Du fait que la mesure par la sphère intégratrice 50 fonctionne indépendamment de la répartition de puissance du faisceau, le dispositif de contrôle peut également être utilisé en cas de variations de la répartition de puissance du faisceau dans le temps.
Avantages
Le dispositif de contrôle de puissance tel que décrit ci-dessus permet d’utiliser un faisceau laser de fabrication 12 présentant un profil de répartition de puissance quelconque. En particulier, on peut utiliser et contrôler des profils du type top-hat et des profils complexes émis par un laser en fonctionnement multimodes.
Le dispositif de contrôle permet l’’utilisation d’un tel profil de faisceau. Les faisceaux complexes dont le top hat permettent d’augmenter le diamètre du faisceau et la température de fusion par rapport à un laser monomode présentant un profil gaussien. Un profil du type top-hat permet en particulier un gain en précision et en étendue de la zone chauffée. Un profil du type multimodes permet typiquement un gain en puissance du laser.
On peut donc fusionner la matière de départ de manière plus homogène et/ou à une température plus élevée, éviter ainsi les tensions à l’intérieur de la pièce à fabriquer et augmenter la qualité mécanique de la pièce à fabriquer. On peut également augmenter la vitesse de fabrication en utilisant un faisceau plus large, apte à consolider une surface plus large dans un temps donné.
Un tel faisceau permet en outre d’utiliser d’autres matières de départ nécessitant une température de consolidation plus élevée ou une distribution de chaleur plus homogène. Par exemple, on peut utiliser des granulométries différentes, plus grossières ou plus inhomogènes, dans le cas d’une matière sous forme de poudre, ou utiliser d’autres métaux ou alliages ayant une température de fusion plus élevée ou mettre en œuvre des céramiques.
D’ailleurs, une source laser en fonctionnement multimodes présente une puissance plus élevée que la même source laser en fonctionnement monomode ou qu’une source laser de même encombrement et ayant le même besoin en alimentation électrique et en refroidissement, en fonctionnement monomode.
On peut donc, pour obtenir une puissance du faisceau laser de fabrication donnée, utiliser une source laser plus petite et/ou plus simple en fonctionnement multimodes. Une telle source laser présente, pour la même puissance de faisceau de fabrication, un encombrement moins important dans la machine et/ou des besoins en alimentation électrique et/ou refroidissement moins importants. Par exemple, on peut remplacer une source laser nécessitant un circuit de fluide de refroidissement par une source laser refroidie par un ventilateur ou par convection, ce qui simplifie largement l’intégration de la source laser dans une machine de fabrication additive.

Claims (10)

  1. Dispositif de surveillance et/ou de contrôle de puissance d’un faisceau (10) émis par un laser, ledit faisceau (10) étant adapté pour la fusion et/ou consolidation d’une matière de départ dans un procédé de fabrication additive, ledit dispositif comprenant un miroir semi-réfléchissant (20) agencé de sorte à prélever une partie (11) du faisceau laser (10) en amont de la matière de départ à fusionner et/ou consolider, et un détecteur optique 60,
    caractérisé en ce le dispositif comprend en outre
    • une sphère intégratrice (50), le détecteur optique (60) étant disposé sur une paroi intérieure (55) de ladite sphère intégratrice (50) de sorte à mesurer l’intensité lumineuse à l’intérieur de ladite sphère intégratrice (50), et
    • un dispositif de focalisation optique (52) agencé de sorte à focaliser la partie (11) prélevée du faisceau laser (10) dans la sphère intégratrice (50), de sorte que l’intensité lumineuse à l’intérieur de ladite sphère intégratrice (50) est proportionnelle à la puissance du faisceau émis par ledit laser.
  2. Dispositif selon la revendication 1, comprenant en outre une lame de prélèvement (57) adaptée pour prélever une sous-partie (111) de la partie (11) prélevée du faisceau laser et un absorbeur optique (51) agencé sur un côté de la lame de prélèvement (57) opposé au côté de cette lame de prélèvement qui reçoit la partie (11) prélevée du faisceau laser et qui émet la sous-partie (111) de cette partie (11) prélevée du faisceau laser.
  3. Dispositif selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel le dispositif de focalisation optique (52) comprend une lentille convergente.
  4. Dispositif selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel le dispositif de focalisation optique (52) comprend un agencement de plusieurs lentilles.
  5. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le détecteur optique (60) est une photodiode.
  6. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes dans laquelle le détecteur optique (60) est adapté pour mesurer la puissance pour une longueur d’onde comprise entre 400 et 1100 nm, et de préférence comprise entre 1030 et 1100 nm.
  7. Système de fabrication additive par fusion sélective par laser (SLM), comprenant une enceinte, un dispositif de dépôt de couches successives d’une matière de départ sous forme de poudre sur un support, au moins une source laser émettant un faisceau laser adapté pour solidifier progressivement et de manière sélective au moins une partie desdites couches, et un dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes de sorte à prélever une partie du faisceau émis par ladite source laser et de déterminer la puissance dudit faisceau par la mesure d’une intensité lumineuse à l’intérieur de la sphère intégratrice (50).
  8. Système de fabrication additive par dépôt d’énergie dirigée (DED), comprenant au moins une source laser émettant un faisceau laser adapté pour solidifier une matière de départ, une buse de fabrication comprenant au moins un orifice configuré pour distribuer de manière sélective ladite matière de départ et un orifice à travers lequel ledit faisceau laser sort de la buse, ledit système comportant une fibre optique adaptée pour guider le faisceau laser vers ladite buse de fabrication, et un dispositif de contrôle de puissance de laser selon l’une quelconque des revendications 1 à 6.
  9. Procédé de surveillance et/ou de contrôle de puissance d’un faisceau laser émis par une source laser (10), comprenant les étapes suivantes :
    • le prélèvement d’une partie (11) d’un faisceau émis d’un laser
    • la focalisation de ladite partie (11) prélevée du faisceau dans une sphère intégratrice (50)
    • la mesure (600) de la puissance à l’intérieur de la sphère intégratrice (50) par un détecteur optique (60),
    • l’utilisation de la portion (12) non-prélevée du faisceau (10) pour fusionner et/ou consolider une matière de départ dans un procédé de fabrication additive.
  10. Procédé de contrôle de puissance d’un faisceau selon la revendication 9, comprenant en outre une étape de transmission (610) de données du détecteur optique (60) vers un microprocesseur (80), et une étape de réglage (800) d’intensité du faisceau laser (10) provenant de la source laser.
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