FR3142109A1 - Fabrication additive d’une pièce métallique - Google Patents

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Mathieu Hautesserre
Paul Daheron
Emmanuel BERTRAND
Pascal Paillard
Laurent Couturier
Valentine Legrand
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite de Nantes
Institut de Recherche Technologique Jules Verne
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite de Nantes
Institut de Recherche Technologique Jules Verne
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Abstract

Fabrication additive d’une pièce métallique Procédé de fabrication additive en couche par couche d’une pièce métallique comportant le déplacement d’une torche (3) de soudage à l'arc au-dessus d’un substrat (40), dans lequel, lors du déplacement de la torche (3) : - on forme avec un arc (43) électrique, notamment entre la torche (3) et le substrat (40), un bain de fusion (45) sur le substrat (40), - un dépôt de métal est réalisé sur le substrat (40) avec deux fils (11, 14) d’apport, un premier fil (11) d’apport étant dévidé vers l’arc (43) de soudage, un deuxième fil (14) d’apport étant dévidé de manière à plonger dans le bain de fusion (45), - on transmet avec le deuxième fil (14) des vibrations au le bain de fusion (45).Figure pour l’abrégé : Fig. 1

Description

Fabrication additive d’une pièce métallique
La présente invention concerne le domaine de la fabrication de pièces métalliques. L’invention concerne en particulier un procédé de fabrication additive d’une pièce métallique ainsi qu’une installation pour la mise en œuvre de ce procédé.
Pour fabriquer des pièces métalliques, il existe différents procédés connus, dont le principe est de réaliser un ajout successif de matière.
Le dépôt successif peut par exemple être réalisé par un dépôt de poudre comme dans le procédé SLM (en anglais « sélective laser melting »). Ce procédé permet d’obtenir une pièce avec une microstructure équiaxe en ajustant les paramètres de dépôt.
Il est également possible d’utiliser un procédé de fabrication additive arc-fil ou WAAM (en anglais « Wire-Arc Additive Manufacturing). Cependant, ce procédé conduit à une microstructure constituée de gros grains colonnaires, produisant ainsi des pièces avec des propriétés mécaniques relativement faibles et anisotropes.
Afin d’améliorer la microstructure des pièces produites par des procédés WAAM, il a été proposé de faire vibrer le bain de fusion lors du dépôt en transmettant des ultrasons par le substrat, comme par exemple décrit dans l’article de C.J. Todaro « grain structure control during metal 3D printing by high-intensity ultrasound ». Cependant, avec cette méthode, il est complexe de contrôler l’amplitude des vibrations dans le bain de fusion car elle dépend fortement de la géométrie de la pièce, qui change en cours de fabrication, ainsi que du positionnement de l’actionneur vibrant.
CN113102862 propose de faire vibrer le bain de fusion à l’aide d’une aiguille vibrante non-fusible. De manière similaire, l’article de T. Yuan « Grain refining by ultrasonic stirring of the wed pool » propose de faire vibrer une pointe de métal en tungstène dans le métal liquide du bain de fusion.
CN110484843 et l’article de Ding Yuan « Grain refining of Ti-6Al-4V alloy fabricated by laser and wire additive manufacturing assisted by ultrasonic vibration » proposent de réaliser un martelage d’ultrasons au cours du dépôt.
L’article de Takehiko Watanabe « improvement of mechanical properties of ferritic stainless steel weld metal by ultrasonic vibration » propose un procédé de dépôt avec un fil d’apport vibrant. Dans ce procédé, le fil doit être encore suffisamment rigide lors du contact avec le bain de fusion pour avoir une bonne transmission des vibrations. Pour ce faire, il faut que le fil passe le plus rapidement possible sous l’arc électrique, ce qui peut conduire à une instabilité de procédé. Il est également possible de faire fondre le fil uniquement par la chaleur du bain de fusion, ce qui conduit à des vitesses de dépôt limitées.
L’article de Kun Zhang « Effect of latter feeding wire on double-wire GTA-AM stainless steel » décrit un procédé de fabrication additive avec une torche TIG utilisant deux fils d’apport, l’un dévidé vers l’arc de soudage l’autre vers le bain de fusion.
CN108067715 décrit un procédé à torche plasma utilisant deux fils d’apport.
CN111215898 décrit un procédé WAAM utilisant un galet presseur vibrant sur la couche de métal après le dépôt de celle-ci.
CN108356387 propose d’améliorer la stabilité du dépôt en utilisant deux torches de soudage produisant deux arcs.
Il a également été proposé de produire des impulsions dans le flux de gaz protecteur de la torche. Cette méthode est cependant complexe à mettre en œuvre.
Il existe un besoin pour disposer d’un procédé stable de fabrication additive d’une pièce en matériau métallique, avec une bonne productivité et permettant d’obtenir une bonne microstructure.
La présente invention répond à ce besoin grâce à, selon l’un de ses aspects, un procédé de fabrication additive en couche par couche d’une pièce métallique comportant le déplacement d’une torche de soudage à l'arc, notamment avec une électrode (fusible ou non fusible), au-dessus d’un substrat, dans lequel, lors du déplacement de la torche :
- on forme avec un arc électrique, notamment entre la torche et le substrat, par exemple entre l’électrode et le substrat, un bain de fusion sur le substrat,
- un dépôt de métal est réalisé avec deux fils d’apport, un premier fil d’apport étant dévidé vers l’arc de soudage, un deuxième fil d’apport étant dévidé de manière à plonger dans le bain de fusion,
- on transmet avec le deuxième fil des vibrations au bain de fusion.
Le second fil permet la transmission de vibrations au bain de fusion tout en apportant un dépôt de matière en complément du dépôt de matière du premier fil. Le procédé permet ainsi, grâce aux vibrations présentes au sein du bain de fusion, d’améliorer la microstructure du métal déposé, et donc les qualités mécaniques de la pièce fabriquée, mais également d’accroître la productivité grâce au double apport de matière. Le procédé assure ainsi une géométrie et une vitesse de dépose convenables et de bonnes caractéristiques mécaniques pour la pièce obtenue, notamment des caractéristiques mécaniques isotropes.
Le procédé permet en particulier d’obtenir une microstructure plus fine avec des grains plus petits et avec un rapport d’aspect plus faible. De plus, la densité maximale de structure MUD est réduite, conduisant à des propriétés plus isotropes de la pièce.
De plus, l’utilisation d’un deuxième fil d’apport peut avoir lieu sans ajouter trop de complexité aux procédés de fabrication à l’arc mono-fil déjà existants et sans nécessiter une quantité d’énergie supplémentaire importante.
Contrairement à certains arts antérieurs, la transmission des vibrations au bain de fusion n’est pas influencée par l’encombrement, la taille, le matériau et la géométrie de la pièce fabriquée. Le procédé est donc adapté pour la fabrication de tout type de pièces.
De plus, la transmission des vibrations se faisant par un fil d’apport, il y a peu de contamination du métal déposé, contrairement à certains arts antérieurs avec une aiguille vibrante non-fusible.
L’utilisation de deux fils d’apport permet notamment d’augmenter le taux de dépose par rapport à un procédé mono-fil, par exemple, jusqu’à 40% environ.
La fabrication additive est réalisée en couche par couche. Les étapes du procédé peuvent être réalisées de manière successive au cours du dépôt de chacune des différentes couches.
La torche de soudage peut être déplacée relativement au substrat à une vitesse comprise généralement entre 10 et 100 cm/min, par exemple 40 cm/min.
Fils d’apport
De préférence, le deuxième fil d’apport est éloigné de l’arc de soudage.
Le deuxième fil qui plonge dans le bain de fusion peut également constituer un point froid dans le bain de fusion conduisant à une modification du gradient thermique dans celui-ci. En particulier, lorsque le deuxième fil vibre, il peut produire un pompage thermique de la chaleur du bain de fusion, permettant par exemple d’en contrôler le refroidissement.
Le deuxième fil peut plonger dans une partie pâteuse du bain de fusion.
Par « partie pâteuse du bain de fusion », on entend la partie du bain de fusion en cours de solidification. Cette partie se trouve à l’arrière du bain de fusion relativement au sens de déplacement de la torche de soudage.
Dans ce cas, les vibrations vont être transmises à la partie pâteuse du bain de fusion et vont interagir avec le métal en cours de solidification et provoquer une germination importante de grains et diminuer leur taille et leur rapport d’aspect.
Le deuxième fil peut plonger dans le bain de fusion du côté aval de celui-ci relativement à une direction d’avancement de la torche.
La partie du deuxième fil plongée dans le bain de fusion est au moins partiellement dans un état solide entre un point de pénétration dans le bain de fusion du deuxième fil et un point de fusion totale du deuxième fil, la distance séparant le point de pénétration et le point de fusion totale le long du deuxième fil étant non-nulle. Cela assure une bonne transmission des vibrations.
Le diamètre du premier fil peut être identique à celui du deuxième fil. Dans ce cas le rapport entre la vitesse de dévidage du premier fil et celle du deuxième fil peut être compris entre 1,1 et 10, de préférence entre 2 et 6, mieux entre 3 et 4, par exemple égal à 3,6 environ.
Le rapport de quantité de métal déposée sur le substrat entre le premier fil et le deuxième fil peut être compris entre 1,1 et 10, de préférence entre 2 et 6, mieux entre 3 et 4, par exemple égal à 3,6 environ.
La quantité de matière déposée est donc majoritairement issue du premier fil d’apport. Ainsi, le premier fil d’apport assure principalement une bonne vitesse de dépose et le deuxième fil assure principalement la qualité de la microstructure et de manière secondaire augmente le taux de dépôt.
Les fils d’apport peuvent avoir un diamètre compris entre 0,5 mm et 10 mm, notamment entre 0.8 mm et 3.2 mm.
Les fils d’apport peuvent avoir des vitesses de dévidage comprises entre 50 cm/min et 1000 cm/min, notamment entre 50 cm/min et 400 cm/min.
Les fils peuvent comporter un acier, notamment un acier inoxydable, un alliage d’aluminium, un alliage à base de nickel, un alliage de titane ou tout autre métal ou alliage soudable et utilisable en fabrication additive arc-fil WAAM, par exemple un alliage Ti64.
Le matériau du premier fil peut être identique à celui du deuxième fil.
En variante, le matériau du premier fil peut être différent de celui du deuxième fil.
Le substrat et les fils peuvent être réalisés dans un même matériau, notamment un alliage de titane.
Substrat
Le substrat peut avoir, avant la mise en œuvre du procédé, une forme plane ou courbe, de préférence plane.
Le procédé peut comporter une étape préalable de préparation d’une surface du substrat sur laquelle le dépôt va être fait. Cette étape peut comporter un traitement de surface, comme un ponçage, ou encore un nettoyage, par exemple à l’éthanol.
Le substrat est de préférence métallique. Le substrat peut comporter un acier, notamment un acier inoxydable, un alliage d’aluminium, un alliage à base de nickel, un alliage de titane ou tout autre métal ou alliage soudable et utilisable en fabrication additive arc-fil WAAM, par exemple un alliage Ti64.
Torche de soudage
La torche de soudage peut être une torche standard, par exemple un modèle commercial conventionnel.
La torche de soudage peut, de manière connue, produire un flux de gaz protecteur.
  • Electrode non-fusible
La torche de soudure peut comporter une électrode non-fusible, notamment en tungstène. En particulier la torche est une torche de soudage TIG (en anglais « Tungsten Inert Gas »).
  • Electrode fusible
Le premier fil peut former un fil-électrode.
La torche de soudage est notamment une torche MIG (en anglais « Metal Inert Gaz »), une torche MAG (en anglais « Metal Active Gaz »), une torche à arc submergé ou une torche plasma.
Vibrations
La transmission des vibrations au bain de fusion s’effectue en faisant vibrer le deuxième fil, la vibration du deuxième fil s’effectuant notamment selon une direction sensiblement perpendiculaire à l’axe de dévidage du deuxième fil.
Les vibrations permettent avantageusement un apport d’énergie permettant de provoquer de la cavitation dans le bain liquide. La quantité d’énergie pour provoquer la cavitation dépend de la fréquence et de l’amplitude de vibration mais aussi d’autres facteurs comme la nature du matériau liquide du bain de fusion.
La vibration du deuxième fil peut également être réalisée dans d’autres directions, par exemple selon l’axe longitudinal du fil.
L’amplitude maximale de vibration du deuxième fil peut être comprise entre 5 µm et 200 µm, notamment autour de 50 µm.
La vibration du deuxième fil peut être de fréquence comprise entre 5kHz et 50kHz, de préférence comprise entre 20kHz et 30kHz.
La fréquence de vibration du deuxième fil peut être constante au cours du procédé, par exemple prédéterminée en fonction des paramètres de dépôt.
La fréquence de vibration du deuxième fil peut être variable en cours de procédé, par exemple pour réaliser un pompage thermique de la chaleur du bain de fusion avec un ajustement dynamique, notamment lorsque le fil vibre selon sa direction de dévidage.
Le motif de vibration du deuxième fil est notamment sinusoïdal, carré, triangulaire, de préférence sinusoïdal.
Dispositif pour la fabrication additive
L’invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, indépendamment ou en combinaison avec ce qui précède, un dispositif pour la fabrication additive d’une pièce métallique, notamment pour la mise en œuvre du procédé selon l’invention tel que défini précédemment, comportant :
- des moyens de connexion à une torche de soudage à l'arc, notamment une torche avec une électrode,
- un premier dévidoir d’un premier fil d’apport,
- un second dévidoir d’un deuxième fil d’apport,
- un dispositif vibratoire permettant de faire vibrer le deuxième fil d’apport.
Dispositif vibrant
L’invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, indépendamment ou en combinaison avec ce qui précède, un dispositif vibratoire pour la fabrication additive d’une pièce métallique, notamment pour la mise en œuvre du procédé selon l’invention, tel que défini précédemment.
Le dispositif vibratoire comporte un moyen de connexion à une torche de soudage à l'arc, notamment une torche avec une électrode.
Le dispositif vibratoire peut être adapté pour faire vibrer un deuxième fil d’apport de diamètre compris entre 0,5 mm et 10 mm, notamment entre 0.8 mm et 3.2 mm, par exemple égal à 1,2 mm.
Le dispositif vibratoire peut être adapté pour faire vibrer un deuxième fil d’apport à une fréquence comprise entre 5kHz et 50kHz, de préférence comprise entre 20kHz et 30kHz.
Le dispositif vibratoire peut être adapté pour faire vibrer un deuxième fil d’apport avec une amplitude spatiale maximale comprise entre 5 µm et 200 µm, notamment autour de 50 µm.
Le dispositif vibratoire peut faire vibrer le deuxième fil d’apport par la transmission de vibrations mécaniques. Le dispositif vibratoire peut ainsi comporter un élément vibrant configuré pour être amené en contact avec le deuxième fil d’apport, notamment avec une partie du fil en sortie d’un dévidoir.
L’élément vibrant peut être excité par au moins une cellule piézoélectrique.
L’élément vibrant peut être une lame, notamment métallique, comportant une ouverture, notamment une cavité ou une encoche, configurée pour être traversée par le deuxième fil d’apport. L’encoche peut avoir une forme en demi-lune, polygonale, notamment carrée ou triangulaire.
L’élément vibrant peut également être un galet vibrant.
L’élément vibrant peut également se trouver dans un dévidoir de deuxième fil d’apport.
La surface de contact entre l’élément vibrant et le deuxième fil d’apport est de préférence suffisamment faible pour ne pas trop contraindre la direction de dévidage du deuxième fil d’apport mais suffisamment importante pour avoir une bonne transmission des vibrations de l’élément vers le deuxième fil d’apport.
Le dispositif vibrant peut comporter un bras articulé, notamment selon au moins deux axes. Cela permet de facilement positionner le dispositif vibrant par rapport au deuxième fil d’apport.
Le moyen de connexion peut comporter une pince permettant de s’accrocher à la torche de soudure ou à une potence portant la torche de soudure, ou une plaque à visser.
Installation de fabrication additive
L’invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, indépendamment ou en combinaison avec ce qui précède, une installation de fabrication additive d’une pièce métallique, notamment pour la mise en œuvre du procédé selon l’invention, tel que défini précédemment, cette installation comportant :
- une torche de soudage à l'arc, notamment avec une électrode,
- un premier dévidoir d’un premier fil d’apport,
- un dispositif, notamment tel que décrit précédemment, comportant :
o un second dévidoir d’un deuxième fil d’apport,
o un dispositif vibratoire permettant de faire vibrer le deuxième fil d’apport, notamment un dispositif vibratoire comme décrit précédemment.
La torche peut comporter une électrode non-fusible, notamment en tungstène, et de préférence la torche est une torche de soudage TIG (en anglais « Tungsten Inert Gas »).
Le premier fil peut former un fil-électrode, la torche de soudage étant alors de préférence une torche MIG (en anglais « Metal Inert Gaz »), une torche MAG (en anglais « Metal Active Gaz »), une torche à arc submergé ou une torche plasma.
L’installation peut comporter un bras mobile permettant de déplacer la torche, le premier fil après avoir été dévidé du premier dévidoir et le deuxième fil après avoir été dévidé du second dévidoir.
L’invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d’exemples de mise en œuvre non limitatifs de celle-ci, et à l’examen du dessin annexé, sur lequel
illustre, en perspective, un exemple d’installation selon l’invention,
illustre, de manière isolée, une partie du dispositif vibrant de l’installation de la ,
illustre, de manière isolée, en perspective, des extrémités de dispositifs vibrants selon l’invention,
illustre, de manière schématique, en vue de côté, un exemple de procédé selon l’invention,
illustre, de manière schématique, en vue de côté, un autre exemple de procédé selon l’invention,
représente une série de cartographies de grains de trois coupes de cordons obtenus par des procédés de fabrication additive, et
est un graphique représentant la taille des grains et le rapport d’aspect des grains des cartographies de la .
 Description détaillée
Dans la suite de la description, les éléments identiques ou de fonctions identiques portent le même signe de référence. A des fins de concision de la présente description, ils ne sont pas décrits en regard de chacune des figures, seules les différences entre les modes de réalisation étant décrites.
Sur les figures, les proportions réelles n’ont pas été respectées, dans un souci de clarté.
On a illustré à la une installation 1 de fabrication additive d’une pièce métallique selon l’invention.
L’installation 1 comporte un bras 2 mobile déplaçable selon trois directions orthogonales entre elles à l’aide de différents actionneurs pilotés par une unité de contrôle. Sur la , seule l’extrémité du bras 2 est représentée pour des raison de clarté du dessin.
L’extrémité du bras 2 peut comporter, comme illustré, une pièce en L.
L’installation 1 comporte également une torche 3 de soudage, dans cet exemple une torche 3 avec une électrode 4 non-fusible en tungstène de type TIG.
La torche 3 est portée par le bras 2 à l’aide d’un support 5 positionné sur la surface supérieure de la partie inférieure du L du bras 2. Cette partie inférieure comporte un orifice, non visible, permettant à la torche 3 de traverser la pièce L.
La torche 3 est reliée via un câble 6 d’alimentation électrique à un poste de soudure TIG standard, non représenté. Comme illustré, le câble 6 peut être entouré d’une gaine de protection.
L’installation 1 comporte également un premier dévidoir 10 d’un premier fil d’apport 11, dont le stylo (« pen feeder » ou « pen filler » en anglais) 12 dévidoir est visible sur la , et un deuxième dévidoir 13 d’un deuxième fil d’apport 14, dont le stylo 15 dévidoir est visible sur la .
Les dévidoirs 11 et 13 comportent chacun, de manière connue, un panneau de contrôle des paramètres de dévidage et une bobine, non représentés sur les dessins dans un soucis de clarté.
Par exemple, les stylos 12 et 15 sont fixés sur le bras 2 à l’aide de supports 16 comportant une tête de préhension 17 dont l’orientation est réglable.
L’installation 1 comporte également un dispositif vibratoire 20 comportant une lame 21 vibrante en contact avec le deuxième fil 14.
La lame 21 est partiellement encastrée dans un boitier 22 et peut être mise en vibration à l’aide d’un au moins une cellule piézoélectrique présente dans le boitier 22.
Par exemple, le boîtier 22 s’étend selon l’axe d’élongation de la lame 21.
Le boîtier 22 est relié à un bras 23 lui-même fixé au bras 2 de l’installation 1 par une plaque 24 vissée sur le bras 2.
Le bras 23 du dispositif vibrant permet de déplacer le boîtier 22 et donc la lame 21 afin de la mettre en contact avec le deuxième fil 14.
Par exemple, le bras 23 comporte deux axes linéaires 25 et 26 permettant de déplacer en translation le boîtier 22 et la lame selon deux directions A et B non parallèles entre elles, notamment orthogonales.
Par exemple, le bras 23 comporte également des pivots, notamment trois pivots 30, 31 et 32, permettant de faire pivoter le boîtier 22 et la lame 21 respectivement selon les axes A, C et B, l’axe C étant orthogonal aux axes A et B.
Un agrandissement de la lame 21 est donné sur la .
Comme illustré, la lame 21 a une largeur L sensiblement constante le long de l’axe d’élongation M. La lame 21 peut présenter une épaisseur E constante sur une majeure partie de sa longueur et une réduction de son épaisseur E au niveau de la sortie 33 du boîtier 22.
Par exemple la largeur L est d’environ deux fois le diamètre du deuxième fil 2
L’extrémité libre 35 de la lame 21 comporte par exemple une encoche 36 configurée pour permettre le passage du deuxième fil 14. Cette encoche 36 permet notamment de s’assurer d’un contact stable entre la lame 21 et le deuxième fil 14.
Par exemple, comme illustré sur la figure 3a, l’encoche 36 peut avoir une forme triangulaire dont l’angle d’ouverture est inférieur à 45°. La surface de contact entre l’encoche 36 triangulaire et le deuxième fil 14 est suffisamment faible pour ne pas trop contraindre la direction de dévidage du deuxième fil 14 mais suffisamment importante pour avoir une bonne transmission des vibrations de la lame 21 vers le deuxième fil 14.
Par exemple, comme illustré sur la figure 3b, l’encoche 36 peut avoir une forme en trou de serrure. L’ouverture 100 de l’encoche 36 à une largeur inférieure au diamètre du deuxième fil 14 permettant l’insertion de celui-ci par encliquetage dans l’encoche 36 par la déformation de bras 101 de la lame 21 qui entourent l’encoche 36. Une fois positionné dans l’encoche 36, le deuxième fil 14 est ainsi maintenu. De plus, le bord de l’encoche 36 est circulaire d’un diamètre légèrement supérieur au diamètre du deuxième fil 14, permettant à celui-ci de translater dans l’encoche 36 le long de son axe de dévidage. Cela permet de limiter au maximum les pertes de contact entre la lame 21 et le deuxième fil 14, l’encoche 36 formant avec le deuxième fil 14 une liaison pivot d’axe autorisant la translation du deuxième fil 14 le long de son axe de dévidage et la rotation du deuxième fil 14 autour de son axe de dévidage, les autres mouvements étant sensiblement bloqués.
Lors de la mise en place de l’installation 1, on peut commencer par positionner le deuxième fil 14 de manière à orienter son axe de dévidage selon une direction prédéterminée puis, une fois en position, le dispositif vibratoire 20, notamment l’encoche 36, est positionné sur le deuxième fil 14.
Des exemples de procédé de fabrication additive d’une pièce métallique sont illustrés sur les figures 4 et 5.
Dans le premier exemple de la , l’installation 1 des figures 1 à 3 est utilisée. Elle est représentée sur la de manière schématique, dans un souci de clarté.
Premièrement, l’installation 1 est mise en place au-dessus d’un substrat 40 métallique, dans cet exemple en alliage Ti64. Le substrat 40 est dans cet exemple de forme plane.
La surface 41 du substrat 40 sur laquelle le dépôt va être réalisé peut subir un traitement de surface préalable, par exemple un nettoyage.
La torche 3, le premier fil 11, le deuxième fil 14 et le dispositif vibrant 20 sont alors mis en mouvement au-dessus du substrat 40 selon une direction d’avancement D pour former une première couche 42, à une vitesse comprise par exemple entre 30 cm/min et 60 cm/min.
Lors du déplacement, la torche 3 forme un arc 43 entre le substrat 40 et l’électrode 4 générant ainsi sur le substrat 40 un bain de fusion 44. L’arc 43 est protégé par un flux laminaire de gaz protecteur venant de la torche 3.
En parallèle, le premier fil 11 et le deuxième fil 14 sont dévidés de manière à réaliser un dépôt 45 de métal sur le substrat 40.
Par exemple, les fils 11 et 14 ont par exemple un diamètre égal à 1,2 mm et sont réalisés dans un alliage de Ti64.
Le rapport entre la vitesse de dévidage du premier fil 11 et celle du deuxième fil 14 est ici compris entre 3 et 4. Les diamètres étant par exemple identiques pour les fils 11 et 14, le rapport de quantité de matière déposée entre les fils 11 et 14 est également compris entre 3 et 4.
Le premier fil 11 est dévidé en direction de l’arc de soudage 43 de manière à faire fondre l’extrémité 50 du premier fil 11 avec l’énergie de l’arc 43.
Le deuxième fil 14 est dévidé de manière à plonger dans le bain de fusion 44 en aval de celui-ci relativement à la direction d’avancement D, dans cet exemple dans sa partie pâteuse 51.
Le deuxième fil 14 est éloigné de l’arc 43, permettant à son extrémité 52 de plonger dans le bain de fusion 45 dans un état solide. La partie solide de l’extrémité 52 fond au fur et à mesure de sa plongée dans le bain de fusion 45, permettant un deuxième apport de matière.
En particulier, le deuxième fil 14 est dans un état solide entre son point de pénétration 521 dans le bain de fusion 45 et un point de fusion totale 522 du deuxième fil 14, la distance séparant le point de pénétration 521 et le point de fusion totale 522 le long du deuxième fil 14 étant non-nulle, notamment d’au moins 1 mm.
Le deuxième fil 14 fonctionne ainsi comme un « fil froid », c’est-à-dire qu’il fond sans apport substantiel d’énergie supplémentaire, en comparaison avec le premier fil 11, qui est un « fil chaud », c’est-à-dire que sa fusion est provoquée par un apport de chaleur bien supérieur à la chaleur apportée au deuxième fil 14.
Le deuxième fil 14 vibre sous l’action de la lame 21 du dispositif vibratoire 20.
La vibration est par exemple réalisée selon un axe perpendiculaire à la direction d’avancement D et l’axe de dévidage L2 du deuxième fil 14.
Le deuxième fil 14 vibre selon un motif périodique sinusoïdal de fréquence comprise entre 20kHz et 30 kHz et d’amplitude spatiale comprise entre 5 µm et 200 µm.
Les vibrations du deuxième fil 14 se propagent au bain de fusion 45 via l’extrémité 52.
Ensuite, le bain de fusion 45 refroidit jusqu’à solidification de manière à former, de manière continue, la couche 42.
La représente une variante du procédé de la .
Dans cette variante, l’installation 1 comporte une torche 3 avec une électrode 4 fusible, par exemple une torche 3 de soudure MIG.
L’électrode 4 est ici formée par le premier fil 11, formant ainsi un fil-électrode.
De plus, le matériau de deuxième fil 14 comporte par exemple un matériau différent de celui du premier fil 11.
Sur la , une première couche 42 a été réalisée sur un substrat 40 et une deuxième couche 55 est en cours de réalisation sur la première couche 42.
Les figures 6 et 7 illustrent la microstructure de trois pièces métalliques réalisées par trois procédés différents de fabrication additive avec une électrode TIG non-fusible.
Le premier est un procédé mono-fil d’apport, le deuxième un procédé avec deux fils d’apport, un premier fil d’apport étant dévidé vers l’arc de soudage, un deuxième fil d’apport étant dévidé de manière à plonger dans le bain de fusion, le deuxième fil ne transmettant pas de vibrations au bain de fusion, et le troisième un procédé selon l’invention, à savoir avec deux fils d’apport dont un vibrant.
Dans les trois essais, l’électrode 3 est positionnée à 4 mm au-dessus du substrat 40, et déplacée à une vitesse de 40 cm/min, l’intensité électrique dans l’électrode TIG est de 185 A, le substrat 40 et les fils d’apport sont en Ti64 et les fils d’apport ont un diamètre de 1,2 mm.
Dans le procédé mono-fil, le fil d’apport est dévidé à une vitesse de 420 cm/min.
Les deux autres procédés, le premier fil d’apport est dévidé à une vitesse de 360 cm/min et le deuxième fil à une vitesse de 100 cm/min.
La illustre des cartographie EBSD (en anglais « Electron BackScattered Diffraction ») de coupes de cordons de soudure réalisés avec les trois procédés. Cette cartographie permet de visualiser les grains G de la microstructure des cordons.
Le cordon a) correspond au procédé mono-fil, le cordon b) au procédé avec deux fils sans vibration et le cordon au procédé selon l’invention.
Ces cartographies EBSD permettent de visualiser la taille des grains G ainsi que leur forme, notamment leur rapport d’aspect entre leur plus grande dimension et leur plus petite dimension.
La taille moyenne des grains T et le rapport d’aspect moyen Ra des cartographies de la sont illustrés dans le graphique de la .
Sur le graphique, les colonnes a) représentent le procédé mono-fil, les colonnes b) le procédé avec deux fils sans vibration et les colonnes c) le procédé selon l’invention.
Comme clairement visible, la taille moyenne des grains T et le rapport d’aspect moyen Ra du troisième procédé sont inférieurs à ceux des deux autres essais. Les grains du cordon obtenu par le procédé de l’invention sont donc plus fins et plus équiaxes ce qui améliore les propriétés mécaniques et les rend plus isotropes par rapport aux deux autres procédés.
De plus, la densité maximale de texture MUD est de 9,21 pour le procédé mono-fil, de 10,60 pour le procédé avec deux fils sans vibration et de 6,66 pour le procédé selon l’invention. L’invention permet donc d’obtenir une texture de solidification réduite et donc des propriétés plus isotropes.
L’invention n’est pas limitée aux exemples qui viennent d’être décrits.
En particulier, le substrat peut avoir une composition ou une forme différente, par exemple être courbe.
La vibration du deuxième fil peut être différente, par exemple avoir lieu selon l’axe de dévidage du fil.
L’élément vibrant peut être différent, par exemple sous la forme d’un galet vibrant ou d’un dévidoir vibrant.

Claims (21)

  1. Procédé de fabrication additive en couche par couche d’une pièce métallique comportant le déplacement d’une torche (3) de soudage à l'arc au-dessus d’un substrat (40), dans lequel, lors du déplacement de la torche (3) :
    • on forme avec un arc (43) électrique, notamment entre la torche (3) et le substrat (40), un bain de fusion (45) sur le substrat (40),
    • un dépôt de métal est réalisé sur le substrat (40) avec deux fils (11, 14) d’apport, un premier fil (11) d’apport étant dévidé vers l’arc (43) de soudage, un deuxième fil (14) d’apport étant dévidé de manière à plonger dans le bain de fusion (45),
    • on transmet avec le deuxième fil (14) des vibrations au bain de fusion (45).
  2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le rapport de quantité de métal déposée sur le substrat entre le premier fil (11) et le deuxième fil (14) est compris entre 1,1 et 10, de préférence entre 2 et 6, mieux entre 3 et 4, par exemple égal à 3,6 environ.
  3. Procédé selon l’une des revendications 1 et 2, dans lequel le matériau du premier fil (11) est identique à celui du deuxième fil (14).
  4. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le deuxième fil (14) plonge dans le bain de fusion (45) du côté aval de celui-ci, relativement à une direction d’avancement (D) de la torche (3).
  5. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la partie du deuxième fil (14) plongée dans le bain de fusion (45) est au moins partiellement dans un état solide entre un point de pénétration (521) dans le bain de fusion (45) du deuxième fil (14) et un point de fusion totale (522) du deuxième fil (14), la distance séparant le point de pénétration (521) et le point de fusion totale (522) le long du deuxième fil (14) étant non-nulle.
  6. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le diamètre du premier fil (11) est identique à celui du deuxième fil (14), le rapport entre la vitesse de dévidage du premier fil (11) et celle du deuxième fil (14) étant compris entre 1,1 et 10, de préférence entre 2 et 6, mieux entre 3 et 4, par exemple égal à 3,6 environs.
  7. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la torche (3) de soudure comporte une électrode (4) non-fusible, notamment en tungstène, en particulier la torche (3) est une torche de soudage TIG (en anglais «Tungsten Inert Gas»).
  8. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le premier fil (11) forme un fil-électrode, la torche (3) de soudage étant notamment une torche MIG (en anglais «Metal Inert Gaz»), une torche MAG (en anglais «Metal Active Gaz»), une torche à arc submergé ou une torche plasma.
  9. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la vibration du deuxième fil (1) s’effectue selon une direction sensiblement perpendiculaire à l’axe de dévidage du deuxième fil (14).
  10. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’amplitude maximale de vibration du deuxième fil (14) est comprise entre 5 µm et 200 µm
  11. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la vibration du deuxième fil (14) est de fréquence comprise entre 5kHz et 50kHz, de préférence comprise entre 20kHz et 30 kHz, le motif de vibration du deuxième fil (14) étant notamment sinusoïdal, carré, triangulaire, de préférence sinusoïdal.
  12. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le substrat (40) et les fils (11, 14) sont réalisés dans un alliage de titane.
  13. Dispositif pour la fabrication additive d’une pièce métallique, notamment pour la mise en œuvre du procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant :
    • des moyens de connexion à une torche (3) de soudage à l'arc
    • un premier dévidoir d’un premier fil (11) d’apport,
    • un second dévidoir d’un deuxième fil (14) d’apport, et
    • un dispositif vibratoire (20) permettant de faire vibrer le deuxième fil d’apport (14).
  14. Dispositif vibratoire (20) pour la fabrication additive d’une pièce métallique, notamment pour la mise en œuvre du procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 12, comportant des moyens de connexion à une torche (3) de soudage à l'arc, le dispositif vibratoire (20) étant adapté pour faire vibrer un deuxième fil (14) d’apport de diamètre compris entre 5 mm et 10 mm, notamment entre 0.8 mm et 3.2 mm, à une fréquence comprise entre 5kHz et 50kHz, de préférence comprise entre 20kHz et 30 kHz et avec une amplitude spatiale maximale de préférence comprise entre 5 µm et 200 µm, notamment autour de 50 µm.
  15. Dispositif vibratoire (20) selon la revendication 14, comportant un élément vibrant configuré pour être amené en contact avec le deuxième fil (14) d’apport, notamment avec une partie du fil (14) en sortie d’un dévidoir.
  16. Dispositif vibratoire (20) selon la revendication précédente, dans lequel l’élément vibrant est excité par au moins une cellule piézoélectrique.
  17. Dispositif vibratoire (20) selon l’une des revendications 14 à 16, dans lequel l’élément vibrant est une lame (21) comportant une ouverture, notamment une cavité ou une encoche (36), configurée pour être traversée par le deuxième fil (14) d’apport.
  18. Installation (1) de fabrication additive d’une pièce métallique, notamment pour la mise en œuvre du procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 12, comportant :
    • une torche (3) de soudage à l'arc,
    • un premier dévidoir d’un premier fil (11) d’apport,
    • un dispositif, notamment selon la revendication 13, comportant :
      • un second dévidoir d’un deuxième fil (14) d’apport,
      • un dispositif vibratoire (20) permettant de faire vibrer le deuxième fil (14) d’apport, notamment un dispositif selon l’une des revendications 14 à 17.
  19. Installation (1) selon la revendication précédente, dans laquelle la torche comporte une électrode (4) non-fusible, notamment en tungstène, et de préférence la torche (3) est une torche de soudage TIG (en anglais «Tungsten Inert Gas»).
  20. Installation (1) selon la revendication 18, dans laquelle le premier fil (11) forme un fil-électrode, la torche (3) de soudage étant de préférence une torche MIG (en anglais «Metal Inert Gaz»), une torche MAG (en anglais «Metal Active Gaz»), une torche à arc submergé ou une torche plasma.
  21. Installation selon l’une quelconque des revendications 18 à 20, comportant un bras (2) mobile permettant de déplacer la torche (3), le premier fil (11) après avoir été dévidé du premier dévidoir et le deuxième fil (14) après avoir été dévidé du second dévidoir.
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