WO2013092994A1 - Procede et appareil pour realiser des objets tridimensionnels - Google Patents

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WO2013092994A1
WO2013092994A1 PCT/EP2012/076623 EP2012076623W WO2013092994A1 WO 2013092994 A1 WO2013092994 A1 WO 2013092994A1 EP 2012076623 W EP2012076623 W EP 2012076623W WO 2013092994 A1 WO2013092994 A1 WO 2013092994A1
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powder
layer
electron beam
preheating
laser beam
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PCT/EP2012/076623
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Christophe Bessac
Stéphanie BROCHET
Frédéric PIALOT
Gilles WALRAND
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Compagnie Generale Des Etablissements Michelin
Michelin Recherche Et Technique S.A.
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Definitions

  • the present invention relates to a method and apparatus for producing three-dimensional objects by successive consolidation, layer by layer, selected areas of a layer of powder material, the consolidated areas corresponding to successive sections of the object three-dimensional.
  • a manufacturing method also known as powder-based additive manufacturing, partially or completely, layer-by-layer, sintering or melting the powder grains using electromagnetic radiation (for example a laser beam) or a particle beam (for example an electron beam).
  • An example of an installation for producing a three-dimensional object layer by layer from a powdery material by selective melting of powder is known from US 4863538.
  • Such an installation comprises a microprocessor control unit for controlling and directing the device. energy of a laser beam on a layer of powder material, previously deposited on a support of the installation, to obtain a consolidated part thereof, this operation being repeated layer by layer.
  • the successive cross sections of the object to be obtained are implemented in the microprocessor which thus controls the laser beam to effect the melting of the powder particles according to the contours of the cross sections of the object.
  • Such an installation makes it possible, of course, to produce complex objects that are difficult to achieve by generally known manufacturing techniques, but it has been found that the objects thus produced often have geometric deformations due to mechanical stresses resulting from temperature gradients. important when making the object.
  • EP 2224038 describes an installation similar to that of the preceding document, but wherein it is carried out a preliminary heating of the powder layer by a laser beam from the same laser source that produces the beam used for perform the selective melting of the powder layer. While achieving a reduction in temperature gradients and being of simplified construction, this facility finds its limits when one wants to manufacture objects with facets very low inclination, close to the horizontal or even extending horizontally . Indeed, it has been found that with facilities capable of performing the selective melting of powder using a laser beam, the angle at which one could consolidate a new layer corresponding to the cross section of the object. to achieve was limited to 30 ° from the horizontal. Moreover, it was found that the productivity of such an installation was very low, especially because of the low power of the laser beam used.
  • WO 01/81031 describes a device for manufacturing a three-dimensional object comprising a support for the object to be constructed, a distribution element of successive layers of powder on said support and a controlled electron gun. by a control unit for selectively melting cross sections of the object to be formed formed successively from the layers of powder successively deposited on said support.
  • the device further comprises means for detecting the distribution of the temperature on the surface of the powder layer in order to control the operating parameters of the electron gun in order to avoid the appearance of temperature differences at the level of the different layers and thus the deformations of the object obtained.
  • Such an electron gun device makes it possible to develop a power greater than that of the devices previously described and, therefore, is more efficient and allows better productivity than laser devices.
  • WO 2008/013483 describes an improvement of the device of the preceding document, using an electron gun, prior to the selective melting operation of a powder layer, to perform a preheating operation of the coating layer. powder.
  • Preheating is carried out by sweeping the powder layer along a plurality of rectilinear paths separated by a safety distance in order to allow uniform preheating and without overheating of the powder layer.
  • Such preheating makes it possible to obtain a better electrical conductivity of the powder and therefore a lower charge density, which makes it possible to adjust the operating parameters of the electron gun to larger values of current or of the scanning speed. , for even more efficiency of the device.
  • this device can be used only with coarse powders, which means that the quality of the surface of the object obtained is very low and requires, for certain applications, finishing operations which increase the time of obtaining and the cost of the manufactured object.
  • EP 2292357 a powder-based additive manufacturing machine that uses two laser beams, a first defocused laser beam to carry out the preheating of the powder and a second focused laser beam to achieve the melting of the powder.
  • electron beams can also be used in place of the laser beams.
  • the document US Pat. No. 5,647,931 describes an apparatus for manufacturing a three-dimensional object by an additive powder-based manufacturing method, the melting of the powder being carried out using a laser beam which works in a chamber supplied with nitrogen. .
  • the apparatus also comprises radiant elements for producing preheating the powder. It is described in this document that the preheating can be performed by an electron beam. However, such an electron beam preheating in a nitrogen-powered working chamber would not be effective because of the dispersion of the electrons in contact with the gas molecules of the enclosure.
  • the object of the invention is to overcome these disadvantages and to provide a method and an apparatus for producing three-dimensional objects by selective melting of powder effectively to obtain a good quality of their surface, while allowing to reduce the temperature gradients during their manufacture.
  • Another object of the invention is to provide an improved method and a fast and efficient apparatus for producing three-dimensional objects by selective melting of powder to reduce the time of manufacturing cycles of the object, as well as costs manufacturing objects obtained.
  • the method of the invention uses an electron beam preheating of a deposited layer or layer of powder.
  • the particles of powder preheated by an electron beam are organized so as to form a first agglomeration of the powder particles, without melting the particles, but sufficient so that the particles thus collected can keep their organization until an effort is made to dissociate them.
  • Such an organization of the particles is due to Van der Waals bonds which are created between the powder particles impacted by the electron beam.
  • the agglomeration phenomenon of the powder particles is greater when the powder has a small particle size, for example when the average grain diameter is between ⁇ and 50 ⁇ .
  • a fine powder has a very large specific surface associated with the surface energy of the powder, this energy plays the role of motive power for the diffusion of atoms at the grain boundaries.
  • the particles arrive in a state of "pseudo-sintering" due to compaction of the powder and volumic expansion of the grains during preheating.
  • electron beam preheating makes it possible to increase the thermal conductivity of the powder, which makes it possible to obtain a faster fusion by laser beam, and thus to increase the productivity of the manufacturing process of the the three-dimensional object.
  • the temperature of the powder layer can be easily controlled before the laser beam melting so as to reduce the temperature differences between the different areas consolidated or consolidate the object, which reduces internal tensions and eliminate any deformation of the object to achieve.
  • At least one electron beam pre-heating of the layer or stratum initially deposited is carried out, then the powder grains of the layer are fused with the laser beam, the heat of the consolidated layer being transmitted. to the next stratum and so on until the consolidation of all layers.
  • the electron beam preheating can at least partially preheat the powder layer. Such preheating can then be performed locally, by directing the electron beam on an area of the surface of the powder layer or by moving the electron beam over several points or areas of the surface of the powder layer.
  • the step of preheating said powder layer in several phases by moving the electron beam on the surface of the powder layer so as to gradually increase the temperature of the powder.
  • the electron beam is applied in several times on the surface of the powder layer so as to gradually increase its temperature.
  • the adjustment of the value of the energy applied to the impacted surface can be done by keeping the maximum power of the electron gun constant and by varying the speed of the displacement of the electron beam.
  • the power of the electron beam is gradually increased. It is thus possible to gradually increase the temperature and, thereby, to significantly increase the thermal conductivity of the powder which allows to then apply a higher power to obtain a preheating at a temperature close to that of melting.
  • the preheating strategy is chosen so as to be adapted to the treated material and the geometry of the object to be manufactured.
  • the maximum power of the electron beam is adapted to the preheating of the solid part of the part, the preheating being applied globally, to one or more layers, depending on the temperature reached in the layer to be worked before the laser beam melting.
  • the number of preheating phases of the powder and the temperature difference between two consecutive preheating phases are chosen as a function of the particle size of the powder.
  • the particles that make up said powder have a mean diameter of between 5 and 300 ⁇ .
  • the specific power of the electron beam applied during the preheating is between 2.10 6 and 50.10 6 W / cm 2 in proportion of 50% to 20%> for preliminary preheating and 50%> to 80 %> for ultimate warm up.
  • This makes it possible to transmit the power homogeneously in the powder layer during a first preheating phase called preliminary preheating and to mount locally close to the final phase melting temperature, called ultimate preheating, while using the maximum power of the beam. electrons.
  • said electron beam preheating is performed simultaneously with the laser beam heating along the same predefined trajectory and the center of gravity of the electron beam impact zone is located in front of the point impact of the laser beam as seen in the direction of movement of beams.
  • the distance between the center of gravity of the impact zone of the electron beam and the point of impact of the laser beam is determined as a function of the material, the particle size of the powder layer and the geometry of the surface of the object.
  • the impact zone of the electron beam may be circular or oblong and is preferably included in a circle having a diameter of about 1mm.
  • the method of the invention allows the use of metal or ceramic powders.
  • a metal powder is used. This makes it possible to quickly produce metal parts of complex shape having a good density, and which are resistant to different mechanical stresses.
  • the focusing point of the electron beam is located above the surface of said powder layer.
  • said three-dimensional object is a mold or a mold part for the manufacture of a tire.
  • the method of the invention makes it possible to produce pieces of complex shape and is more particularly suitable for the manufacture of a mold or a mold part for a tire, such as a mold liner having elements of small dimensions, such as slats or cords.
  • the objects of the invention are also achieved with an apparatus for producing a three-dimensional object by successive consolidation, layer by layer, of selected areas of a powder layer, said areas corresponding to successive sections of the three-dimensional object, said apparatus comprising
  • distribution means capable of applying a layer of powder on said support or on a previously consolidated layer of said object
  • a first electron beam energy source produced so as to preheat said powder layer at least partially
  • a second laser beam energy source capable of fusing the powder particles
  • displacement means which perform a relative displacement of the radiation of said second laser beam source with respect to the object in a predetermined path so as to selectively fuse said powder layer.
  • said means and energy sources are placed inside a vacuum chamber. This allows the efficient operation of two energy sources with electron beam and laser in a common enclosure, while preventing oxidation phenomena during laser melting or electron dispersion and ensuring the evacuation of gases. from the operations performed during the manufacture of the object.
  • the apparatus of the invention comprises a control unit adapted to control the operation of said sources and means.
  • the apparatus of the invention comprises means for measuring the temperature of the powder layer connected to said control unit. This makes it possible to adjust more finely the operating parameters of the electron beam source.
  • a laser beam source comprises at least one such source and an electron beam source comprises at least one such source, several sources that can be used in combination in the method and apparatus of the invention. the invention.
  • FIG. 1 is a sectional view schematically showing an apparatus for manufacturing a three-dimensional object according to the invention
  • FIG. 2a is a view from above of the object schematically showing the impact zones of the electron beam during the preliminary preheating phase
  • FIGS. 2b and 2c illustrate top views of the object showing schematically the impact zones of the two energy beams used with the apparatus of the invention
  • FIG. 3 is a curve illustrating the evolution of the temperature as a function of time in the grains of the powder layer subjected to treatment with the two beams
  • Figure 1 illustrates an apparatus 1 for manufacturing a three-dimensional object 2.
  • the apparatus comprises a horizontal plate 3 on which is constructed the object 2 for which it forms a support.
  • the apparatus also comprises powder dispensing means 4, coming from a powder reservoir 7 situated above the plate 3, said dispensing means being able to apply a thin layer of powder to the plate 3, for example 5.
  • the squeegee 5 is moved by actuating means (not shown) to perform an alternative translation movement, in a horizontal plane, along the double arrow A, above the 3.
  • the squeegee 5 spreads the powder in a thin layer, from the outlet of the tank 7, the excess powder being pushed by the squeegee 5 in a recovery tank 6.
  • the squeegee 5 is preferably reduced to its initial position near the outlet of the tank 7 before the beginning of a new powder setting cycle.
  • a compacting device (not shown in the drawings) of the spread powder layer may also be provided.
  • the layer of powder thus spread on the plate 3 thus forms a layer which is selectively fused using one or more energy beams from a set of energy sources 8.
  • the three-dimensional object 2 is produced by a selective melting or a selective sintering of powder and is built by superimposing layers on the basis of a modeling of the object by a computer.
  • the energy beam (or energy beams) is (are) controlled by a microprocessor of a control unit 9 comprising the modeling of the object to manufacture the object by successive melting or sintering of superimposed powder layers.
  • the plate 3 is lowered regularly, after consolidation of each layer of powder, by a distance equal to the thickness of the consolidated powder layer.
  • the plate 3 is connected to a drive mechanism in a vertical translation movement, according to the double arrow B, for example by connecting the vertical support rod 10 of the plate 3 to a rack-and-pinion type mechanism or screw nut operated by a servomotor or a stepper motor.
  • the apparatus 1 comprises two different sources of energy: an electron beam gun 11 and a laser source 12.
  • the laser source 12 is for example a C0 2 laser or a Nd: Yag laser which has a power equal to or greater than 500 W.
  • the laser source 12 is connected to a control unit 13 of a galvanometric mirror 14 which makes it possible to orient and move the laser beam coming from the source 12 with respect to the object 2 according to the information sent by the control unit 9.
  • the laser beam can be moved by the control unit 9 to a speed of about 10m / s.
  • the electron gun 1 1 comprises, in known manner, a high voltage circuit which produces the accelerating voltage of the electrons emitted by the emitter electrode of the gun which is connected to a current source allowing its heating to produce the emission of electrons.
  • the electron beam coming from the barrel is oriented by deflector coils 16 with respect to the object 2 as a function of the information sent by the control unit 9.
  • the apparatus 1 also comprises focusing coils 15 of the beam enabling focus the electron beam relative to the worked area of the object 2.
  • the power of the electron gun is about 3000W and its beam can be moved at a speed of about 1000m / s.
  • the components of the apparatus 1 are arranged inside a sealed enclosure 17 connected to a vacuum pump 18 which maintains a vacuum of about 10 "4 - 10 " 6 mbar inside the chamber. 'pregnant.
  • a vacuum pump 18 which maintains a vacuum of about 10 "4 - 10 " 6 mbar inside the chamber. 'pregnant.
  • the vacuum pump 18 is chosen so that its flow rate is sufficient to take into account the degassing resulting from the thermal cycle and a possible leakage rate of the enclosure 17.
  • the walls of the enclosure 17 are preferably of steel and are sufficiently thick, the thickness of the walls may be about 20 to 30 mm, to ensure the protection of the operator against X-rays.
  • enclosure 17 also includes windows (not shown) allowing the operator to view the different areas inside the device, while providing protection against X-rays emitted by the electron gun and against light rays emitted by the laser source.
  • the control unit 9 controls the power supply and the control of the energy sources, the supply of powder from the reservoir and the distribution by the distribution means of a powder layer, as well as the movement of the tray.
  • the apparatus further comprises means for measuring the temperature, such as an IR or CCD camera, which are able to communicate to the control unit information concerning the temperature of the powder layer for allow thus to adjust the operating parameters of the electron gun during the preheating phases.
  • the electron beam 20 is used from the barrel 1 1 to preheat the powder before melting with the laser beam 19 from the source 12. More particularly, the preheating is carried out in several phases, in particular in two phases according to the example of Figure 2.
  • the surface of the object 2 is scanned with the electron beam 20 in such a way as to make several point impacts on this surface, for example in a random manner or according to an algorithm programmed in the memory of the control unit 9. This allows to homogeneously heat the surface of the powder layer to a first temperature T1, lower than the melting temperature, and thus reduce the temperature gradient and therefore the deformations of the manufactured object.
  • a localized preheating is applied by increasing the temperature of the powder to a temperature T2, T2> T1, but lower than the melting temperature of the powder.
  • T2 a temperature
  • T1 a temperature above the melting temperature of the powder.
  • the two energy sources are made to work simultaneously, but the laser beam 19 is preceded by the electron beam 20, as seen in the direction of movement of the beams on the surface of the beam. powder layer.
  • the center of gravity of the impact zone of the electron beam is forward with respect to the point of impact of the laser beam in the direction of movement of the beams.
  • the impact zone of the laser beam and that of the electron beam may be of circular shape (Fig. 2b), by adjusting the focusing point of each source at a predetermined distance above the surface of the beam. powder layer.
  • the zone of impact of the electron beam can have an oblong shape ( Fig. 2c), which can be obtained by adjusting the electron beam, for example by driving the coils 15 at the origin of the magnetic focusing fields.
  • Figures 2a to 2c show an example of object manufacture by consolidation of the powder using two preheating phases, preliminary and ultimate, using an electron beam.
  • the powder can be brought gradually to temperature using several intermediate preheating phases, the number of electron beam preheating phases as well as the temperature depends on the type of powder, the particle size of the powder, as well as the geometry of the object to be manufactured.
  • the powders used with the process of the invention are metal powders, such as Ti powders, Ni-Ti, superalloys, aluminum alloys, invar, stainless steels, CoCr, maraging and other metals or ceramic powders.
  • the average particle diameter of the powder may vary from a few microns, for example 5 ⁇ , to 300 ⁇ .
  • the thickness of a powder layer may vary from a few microns, for example ⁇ , to several hundred microns, for example 500 ⁇ .
  • FIG. 3 illustrates the evolution of the temperature T as a function of time t in the grains of the powder layer subjected to treatment with the two beams 19 and 20 according to an alternative embodiment of the method of the invention.
  • T represents the initial temperature of the powder that is equal to that of the interior of the enclosure 17 and T f represents the melting temperature of the powder.
  • a first phase of preheating by the electron beam 20 takes place from the initial temperature T ; and up to a temperature value of about 0.5T f , which allows to obtain a high grain temperature of the powder layer, substantially homogeneous throughout the layer, the grains being arranged side by side but without links between them, as shown schematically in Figure 3, at the first level of homogenization.
  • a second phase of preheating with the electron beam 20 takes place subsequently, which increases the temperature of the powder grains to a value of about 0.8T f , until a second level, called a diffusion plateau where bridges of intermolecular cohesion are formed between the grains which agglomerate and keep this initial organization (as schematically represented on Fig. 3 next to the diffusion plateau).
  • the grains are heated up to the melting temperature T f with the aid of the laser beam 19 and the powder layer is consolidated, as shown schematically on FIG. 3 by the two grains fused together.
  • the temperature of the powder layer then decreases during its solidification, as represented by the broken line of the film. 3.
  • the respective temperature indications are of the order of 800 ° C. for the preliminary homogenization preheating, 1100 ° C. for the ultimate preheating with diffusion creation, with a melting temperature of around 1400-1500 ° C.
  • the example illustrated in Figure 3 is advantageously applicable to powders of medium to large grain size.
  • the number of preheating phases performed using the electron beam until reaching the diffusion plateau at about 0.8 T f increases with the decrease in the particle size of the powder.

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Abstract

L'invention concerne un appareil et un procédéde fabrication d'objet tridimensionnel (2) par consolidation successive, couche par couche, des zones sélectionnées d'une strate de poudre, les zones consolidées correspondant à des sections successives de l'objet tridimensionnel, ledit procédé comportant les étapes suivantesprises dans l'ordre : a - déposer une couche de poudresur un support; b -préchauffer au moins partiellement ladite couche de poudre au moyen d'une première source d'énergie à faisceau d'électrons(20); c -chauffer ladite couche de poudre à l'aide d'une deuxième source d'énergie à faisceau laser (19) apte à fusionner les particules de poudre; d -réaliser le déplacement relatif du faisceau laser (19) de ladite deuxième source par rapport à l'objet (2) selon une trajectoire prédéterminée de manière à fusionner la poudre et former une section dudit objet; e –répéter aumoins les étapes a, c et d de manière à former plusieurs couches de matière fusionnée superposées constituant ledit objet (2).

Description

PROCEDE ET APPAREIL POUR REALISER DES OBJETS TRIDIMENSIONNELS
[0001] La présente invention est relative à un procédé et un appareil pour réaliser des objets tridimensionnels par consolidation successive, couche par couche, des zones sélectionnées d'une strate de matériau pulvérulent, les zones consolidées correspondant à des sections successives de l'objet tridimensionnel. Un tel procédé de fabrication connu également sous le nom de fabrication additive à base de poudre réalise, couche par couche, de manière partielle ou totale, un frittage ou une fusion des grains de poudre en utilisant un rayonnement électromagnétique (par exemple un faisceau laser) ou un faisceau de particules (par exemple un faisceau d'électrons).
[0002] Un exemple d'installation pour produire un objet tridimensionnel couche par couche à partir d'un matériau pulvérulent par fusion sélective de poudre est connu du document US 4863538. Une telle installation comprend une unité de contrôle à microprocesseur pour commander et diriger l'énergie d'un faisceau laser sur une couche de matériau pulvérulent, préalablement déposée sur un support de l'installation, pour obtenir une partie consolidée de celle-ci, cette opération étant répétée couche par couche. Les sections transversales successives de l'objet à obtenir sont implémentées dans le microprocesseur qui commande ainsi le faisceau laser pour réaliser la fusion des particules de poudre selon les contours des sections transversales de l'objet. Une telle installation permet, certes, de réaliser des objets complexes qui sont difficiles à réaliser par les techniques de fabrication généralement connues, mais il s'est avéré que les objets ainsi réalisés présentaient souvent des déformations géométriques dues aux contraintes mécaniques issues des gradients de température importants lors de la fabrication de l'objet.
[0003] Pour remédier à ce problème, une solution a été décrite dans le document US 5908569 qui décrit une installation pour produire un objet tridimensionnel par fusion sélective de poudre, couche par couche, à des endroits prédéterminés de la section transversale de l'objet au moyen d'un faisceau laser, du fait que l'installation comporte un élément chauffant radiant placé au-dessus du support destiné à recevoir l'objet à fabriquer. Permettant, certes, de réduire les gradients thermiques lors de la consolidation de la zone choisie de la couche de poudre par le faisceau laser, l'utilisation d'un tel élément chauffant implique le chauffage de toute la surface de la couche de poudre et ceci pendant tout le temps de confection de l'objet, alors que le faisceau laser ne travaille que localement. De surcroît, l'installation doit faire appel à un élément de chauffage supplémentaire.
[0004] Le document EP 2224038 décrit une installation similaire à celle du document précédent, mais où l'on réalise un chauffage préalable de la couche de poudre par un faisceau laser en provenance de la même source laser que celle qui produit le faisceau utilisé pour réaliser la fusion sélective de la couche de poudre. Tout en réalisant une réduction des gradients de température et étant de construction simplifiée, cette installation trouve ses limites lorsque l'on veut fabriquer des objets comportant des facettes à très faible inclinaison, proches de l'horizontale ou même s'étendant à l'horizontale. En effet, il a été constaté qu'avec des installations aptes à réaliser la fusion sélective de poudre à l'aide d'un faisceau laser, l'angle selon lequel on pourrait consolider une nouvelle couche correspondant à la section transversale de l'objet à réaliser était limité à 30° par rapport à l'horizontale. Par ailleurs, il a été constaté que la productivité d'une telle installation était très faible, notamment à cause de la faible puissance du faisceau laser utilisé.
[0005] On connaît par ailleurs le document WO 01/81031 qui décrit un dispositif pour fabriquer un objet tridimensionnel comportant un support pour l'objet à construire, un élément de distribution de couches successives de poudre sur ledit support et un canon à électrons commandé par une unité de contrôle pour réaliser la fusion sélective de sections transversales de l'objet à réaliser formées successivement à partir des couches de poudre successivement déposées sur ledit support. Le dispositif comporte par ailleurs des moyens pour détecter la distribution de la température sur la surface de la couche de poudre afin de commander les paramètres de fonctionnement du canon à électrons pour éviter l'apparition de différences de température au niveau des différentes couches et donc des déformations de l'objet obtenu. Un tel dispositif à canon d'électrons permet de développer une puissance supérieure à celle des dispositifs à laser précédemment décrits et, de ce fait, est plus efficace et permet une meilleure productivité que les dispositifs à laser. Toutefois, de par le fait que la focalisation du faisceau d'électrons est difficile à réaliser et à cause des phénomènes de polarisation des grains de poudre à l'endroit de l'impact du faisceau d'électrons, il a été constaté que la qualité de la surface de l'objet obtenu avec un dispositif à canon d'électrons est inférieure à celle obtenue avec un dispositif à laser.
[0006] Le document WO 2008/013483 décrit un perfectionnement du dispositif du document précédent, utilisant un canon d'électrons, préalablement à l'opération de fusion sélective d'une couche de poudre, pour réaliser une opération de préchauffage de la couche de poudre. Le préchauffage se fait par un balayage de la couche de poudre selon plusieurs trajectoires rectilignes séparées par une distance de sécurité afin de permettre un préchauffage uniforme et sans surchauffe de la couche de poudre. Un tel préchauffage permet d'obtenir une meilleure conductivité électrique de la poudre et donc une plus faible densité de charge, ce qui permet de régler les paramètres de fonctionnement du canon d'électrons à des valeurs plus importantes de courant ou de la vitesse de balayage, pour encore plus d'efficacité du dispositif. Toutefois, de par son fonctionnement, ce dispositif ne peut être utilisé qu'avec des poudres grossières ce qui fait que la qualité de la surface de l'objet obtenu est très faible et nécessite, pour certaines applications, des opérations de finition qui augmentent le temps d'obtention et le coût de l'objet fabriqué.
[0007] On connaît également du document EP 2292357 une machine de fabrication additive à base de poudre qui utilise deux faisceaux laser, un premier faisceau laser défocalisé pour réaliser le préchauffage de la poudre et un deuxième faisceau laser focalisé pour réaliser la fusion de la poudre. Selon ce document, des faisceaux d'électrons peuvent également être utilisés à la place des faisceaux laser.
[0008] Le document US 5647931 décrit un appareil pour fabriquer un objet tridimensionnel par une méthode de fabrication additive à base de poudre, la fusion de la poudre étant réalisée à l'aide d'un faisceau laser qui travaille dans une enceinte alimentée en azote. L'appareil comporte par ailleurs des éléments radiants pour réaliser le préchauffage de la poudre. Il est décrit dans ce document que le préchauffage peut être réalisé par un faisceau d'électrons. Toutefois, un tel préchauffage par faisceau d'électrons dans une enceinte de travail alimentée en azote ne serait nullement efficace à cause de la dispersion des électrons au contact des molécules du gaz de l'enceinte.
[0009] Le but de l'invention est de pallier à ces inconvénients et de proposer un procédé et un appareil pour réaliser des objets tridimensionnels par fusion sélective de poudre de manière efficace pour obtenir une bonne qualité de leur surface, tout en permettant de diminuer les gradients de température lors de leur fabrication.
[0010] Un autre but de l'invention est de proposer un procédé amélioré et un appareil performant et rapide pour réaliser des objets tridimensionnels par fusion sélective de poudre permettant de réduire le temps des cycles de fabrication de l'objet, ainsi que les coûts de fabrication des objets obtenus.
[0011] Ces buts sont atteints avec un procédé de fabrication d'objet tridimensionnel, dans une enceinte étanche reliée à une pompe à vide, par consolidation successive, couche par couche, des zones sélectionnées d'une strate de poudre, les zones consolidées correspondant à des sections successives de l'objet tridimensionnel, ledit procédé comportant les étapes suivantes prises dans l'ordre : a - déposer une couche de poudre sur un support; b - préchauffer au moins partiellement ladite couche de poudre au moyen d'une première source d'énergie à faisceau d'électrons ; c - chauffer ladite couche de poudre à l'aide d'une deuxième source d'énergie à faisceau laser apte à fusionner les particules de poudre ; d - réaliser le déplacement relatif du faisceau laser de ladite deuxième source par rapport à l'objet selon une trajectoire prédéterminée de manière à fusionner sélectivement la poudre et former une section dudit objet; e - répéter au moins les étapes a, c et d de manière à former plusieurs couches de matière fusionnée superposées constituant ledit objet.
[0012] Plus particulièrement, le procédé de l'invention utilise un préchauffage par faisceau d'électrons d'une strate ou couche de poudre déposée. Ainsi, il a été constaté que les particules de poudre préchauffées par un faisceau d'électrons s'organisaient de manière à former une première agglomération des particules de poudre, sans fusion des particules, mais suffisante pour que les particules ainsi rassemblées puissent garder leur organisation initiale tant qu'un effort ne leur est pas appliqué pour les désolidariser. Une telle organisation des particules est due aux liaisons Van der Waals qui se créent entre les particules de poudre impactées par le faisceau d'électrons. De surcroît, il a été constaté que le phénomène d'agglomération des particules de poudre était plus important lorsque la poudre présentait une faible granulométrie, par exemple lorsque le diamètre moyen des grains est compris entre ΙΟμιη et 50μιη. En effet, une poudre fine comporte une surface spécifique très grande associée à l'énergie de surface de la poudre, cette énergie joue le rôle d'énergie motrice permettant la diffusion des atomes aux joints de grains. Ce qui fait que les particules arrivent dans un état de « pseudo- frittage » dû au compactage de la poudre et à la dilatation volumique des grains lors du préchauffage.
[0013] Cette organisation des particules de poudre permet alors une fusion plus rapide par le faisceau laser pour toute forme souhaitée de l'objet. En effet, il a été constaté lors des tests effectués en laboratoire, qu'avec des particules agglomérées après un préchauffage par faisceau d'électrons, une fusion des particules à l'horizontale pouvait également être réalisée, de la même manière qu'une fusion selon des angles aigus, donc toute forme souhaitée sans limitation d'angle pour l'objet à réaliser.
[0014] De surcroît, le préchauffage par faisceau d'électrons permet d'augmenter la conductivité thermique de la poudre, ce qui permet d'obtenir une fusion plus rapide par faisceau laser, et ainsi d'augmenter la productivité du procédé de fabrication de l'objet tridimensionnel. [0015] Par ailleurs, en utilisant un préchauffage par faisceau d'électrons et en variant les paramètres de fonctionnement du faisceau et son orientation, on peut facilement contrôler la température de la couche de poudre avant la fusion par faisceau laser de manière à réduire les différences de température entre les différentes zones consolidées ou à consolider de l'objet, ce qui permet de réduire les tensions internes et d'éliminer toute déformation de l'objet à réaliser.
[0016] Selon l'invention, on effectue au moins un préchauffage par faisceau d'électrons de la couche ou strate initialement déposée, puis on fusionne avec le faisceau laser les grains de poudre de la couche, la chaleur de la couche consolidée se transmettant à la strate suivante et ainsi de suite jusqu'à la consolidation de toutes les couches. Dans un mode avantageux de réalisation de l'invention, on préfère toutefois appliquer périodiquement un préchauffage par faisceau d'électrons, par exemple toutes les trois couches, et encore plus préférentiellement, à chaque couche déposée.
[0017] Selon l'invention, le préchauffage par faisceau d'électrons permet de préchauffer au moins partiellement la couche de poudre. Un tel préchauffage peut alors être effectué localement, en orientant le faisceau d'électrons sur une zone de la surface de la couche de poudre ou par déplacement du faisceau d'électrons sur plusieurs points ou zones de la surface de la couche de poudre.
[0018] De préférence, on effectue l'étape de préchauffage de ladite couche de poudre en plusieurs phases par déplacement du faisceau d'électrons sur la surface de la couche de poudre de manière à augmenter progressivement la température de la poudre.
[0019] Ainsi, on applique le faisceau d'électrons en plusieurs fois sur la surface de la couche de poudre de manière à augmenter progressivement sa température. Dans une première variante de l'invention, pour des raisons d'efficacité, on préfère utiliser la puissance maximale du canon d'électrons et augmenter le nombre d'impacts en combinaison ou non avec la variation de la vitesse de déplacement du faisceau. Ainsi, le réglage de la valeur de l'énergie appliquée à la surface impactée peut se faire en gardant constante la puissance maximale du canon d'électrons et en variant la vitesse de déplacement du faisceau d'électrons. Dans une deuxième variante de l'invention, on augmente graduellement la puissance du faisceau d'électrons. On arrive ainsi à augmenter progressivement la température et, de ce fait, à augmenter notablement la conductivité thermique de la poudre ce qui permet de pouvoir appliquer ensuite une puissance plus importante afin d'obtenir un préchauffage à une température proche de celle de fusion. Ceci convient plus particulièrement au cas où l'on utilise des poudres de faible granulométrie qui sont susceptibles de se vaporiser facilement sous l'impact d'un faisceau très énergétique. La stratégie de préchauffage est choisie de manière à être adaptée au matériau traité et à la géométrie de l'objet à fabriquer. La puissance maximale du faisceau d'électrons est adaptée au préchauffage de la partie massive de la pièce, le préchauffage étant appliqué de manière globale, à une ou plusieurs couches, selon la température atteinte dans la couche à travailler avant la fusion par faisceau laser.
[0020] Avantageusement, le nombre de phases de préchauffage de la poudre et la différence de température entre deux phases de préchauffage consécutives sont choisis en fonction de la granulométrie de la poudre.
[0021] De préférence, les particules qui composent ladite poudre ont un diamètre moyen compris entre 5 et 300μιη.
[0022] De préférence, la puissance spécifique du faisceau d'électrons appliquée lors du préchauffage est comprise entre 2.106 et 50.106 W/cm2 à proportion de 50% à 20%> pour un préchauffage préliminaire et de 50%> à 80%> pour un préchauffage ultime. Ceci permet de transmettre la puissance de manière homogène dans la couche de poudre pendant une première phase de préchauffage appelé préchauffage préliminaire et de monter localement proche de la température de fusion en dernière phase, appelé préchauffage ultime, tout en utilisant la puissance maximale du faisceau d'électrons.
[0023] Avantageusement, ledit préchauffage à faisceau d'électrons est effectué simultanément avec le chauffage à faisceau laser selon une même trajectoire prédéfinie et le centre de gravité de la zone d'impact du faisceau d'électrons est situé en avant par rapport au point d'impact du faisceau laser tel que vu dans le sens de déplacement des faisceaux. Ceci permet de réduire considérablement le temps du cycle de fabrication de la pièce, car la zone impactée par le faisceau d'électrons lors de la dernière phase de préchauffage peut recevoir une plus forte énergie sans subir les phénomènes parasites de levage de poudre, tout en permettant de transmettre l'énergie reçue par conductivité thermique aux grains de poudre impactés par le faisceau laser, d'où un gain de productivité.
[0024] Avantageusement, la distance entre le centre de gravité de la zone d'impact du faisceau d'électrons et le point d'impact du faisceau laser est déterminée en fonction du matériau, de la granulométrie de la couche de poudre et de la géométrie de la surface de l'objet. Ainsi, la zone d'impact du faisceau d'électrons peut être circulaire ou oblongue et est de préférence incluse dans un cercle ayant un diamètre d'environ 1mm.
[0025] Le procédé de l'invention permet d'utiliser des poudres métalliques ou céramiques. Dans une variante préférée de l'invention, on utilise une poudre métallique. Ceci permet de réaliser rapidement des pièces métalliques de forme complexe ayant une bonne densité, et qui résistent bien aux différentes sollicitations mécaniques.
[0026] Avantageusement, le point de focalisation du faisceau d'électrons est situé au-dessus de la surface de ladite couche de poudre. On arrive ainsi à obtenir une zone d'impact du faisceau sur la couche de poudre de surface importante et de faible profondeur, ce qui permet d'obtenir un préchauffage rapide et sans fusion des couches déjà consolidées.
[0027] De préférence, ledit objet tridimensionnel est un moule ou une partie de moule pour la fabrication d'un pneumatique. Le procédé de l'invention permet de réaliser des pièces de forme complexe et convient plus particulièrement à la fabrication d'un moule ou d'une partie de moule pour pneumatique, telle une garniture de moule ayant des éléments de petites dimensions, tels que des lamelles ou des cordons.
[0028] Les buts de l'invention sont également atteints avec un appareil pour fabriquer un objet tridimensionnel par consolidation successive, couche par couche, des zones sélectionnées d'une strate de poudre, lesdites zones correspondant à des sections successives de l'objet tridimensionnel, ledit appareil comportant
- une enceinte étanche reliée à une pompe à vide à l'intérieur de laquelle sont placés
- des moyens de support dudit objet ;
- des moyens de distribution aptes à appliquer une couche de poudre sur ledit support ou sur une couche précédemment consolidée dudit objet ;
- une première source d'énergie à faisceau d'électrons réalisée de manière à effectuer le préchauffage au moins partiel de ladite couche de poudre
- une deuxième source d'énergie à faisceau laser apte à fusionner les particules de poudre ;
- des moyens de déplacement qui réalisent un déplacement relatif du rayonnement de ladite deuxième source à faisceau laser par rapport à l'objet selon une trajectoire prédéterminée de manière à fusionner sélectivement ladite couche de poudre.
[0029] Avantageusement, lesdits moyens et sources d'énergie sont placés à l'intérieur d'une enceinte sous vide. Ceci permet le fonctionnement efficace de deux sources d'énergie à faisceau d'électrons et laser dans une enceinte commune, tout en empêchant les phénomènes d'oxydation lors de la fusion laser ou de dispersion d'électrons et en assurant l'évacuation des gaz issus des opérations effectuées lors de la fabrication de l'objet.
[0030] De préférence, l'appareil de l'invention comprend une unité de contrôle apte à commander le fonctionnement desdites sources et moyens.
[0031] Avantageusement, l'appareil de l'invention comprend des moyens de mesure de la température de la couche de poudre reliés à ladite unité de contrôle. Ceci permet d'ajuster plus finement les paramètres de fonctionnement de la source à faisceau d'électrons. [0032] Par une source à faisceau laser on comprend au moins une telle source et par une source à faisceau d'électrons on comprend au moins une telle source, plusieurs sources pouvant être utilisées en combinaison au sein du procédé et de l'appareil de l'invention.
[0033] L'invention sera mieux comprise grâce à la suite de la description, qui s'appuie sur les figures suivantes :
- la figure 1 est une vue en coupe montrant schématiquement un appareil pour fabriquer un objet tridimensionnel selon l'invention ;
- la figure 2a est une vue de dessus de l'objet montrant schématiquement les zones d'impact du faisceau d'électrons lors de la phase de préchauffage préliminaire et les figures 2b et 2c illustrent des vues de dessus de l'objet montrant schématiquement les zones d'impact des deux faisceaux énergétiques utilisés avec l'appareil de l'invention ;
- la figure 3 est une courbe illustrant l'évolution de la température en fonction du temps dans les grains de la couche de poudre soumis au traitement avec les deux faisceaux
[0034] Sur les différentes figures, les éléments identiques ou similaires portent la même référence. Leur description n'est donc pas systématiquement reprise. Il faut noter par ailleurs que les épaisseurs des couches, les dimensions des grains de poudre, celles des faisceaux de rayonnement ou celles de l'objet réalisé ne sont pas représentés à une échelle cohérente mais au contraire volontairement faussée dans le but de rendre les figures lisibles.
[0035] La figure 1 illustre un appareil 1 pour fabriquer un objet tridimensionnel 2. L'appareil comprend un plateau horizontal 3 sur lequel est construit l'objet 2 pour lequel il forme un support. L'appareil comprend également des moyens de distribution de poudre 4, en provenance d'un réservoir de poudre 7 situé au-dessus du plateau 3, lesdits moyens de distribution étant aptes à appliquer une fine couche de poudre sur le plateau 3, par exemple à l'aide de la raclette 5. La raclette 5 est mise en mouvement par des moyens d'actionnement (non représentés) pour effectuer un mouvement de translation alternative, dans un plan horizontal, selon la double flèche A, au-dessus du plateau 3. Ainsi, la raclette 5 étale la poudre en une couche fine, à partir de la sortie du réservoir 7, le surplus de poudre étant poussé par la raclette 5 dans un bac de récupération 6. La raclette 5 est de préférence ramenée dans sa position initiale à proximité de la sortie du réservoir 7 avant le commencement d'un nouveau cycle de mise en couche de la poudre. Dans une variante, un dispositif de compactage (non représenté sur les dessins) de la couche de poudre étalée peut également être prévu. La couche de poudre ainsi étalée sur le plateau 3 forme ainsi une strate qui est fusionnée sélectivement à l'aide d'un ou plusieurs faisceaux énergétiques en provenance d'un ensemble de sources d'énergie 8. L'objet tridimensionnel 2 est réalisé par une fusion sélective ou un frittage sélectif de poudre et est construit par superposition des couches sur la base d'une modélisation de l'objet par un ordinateur. Le faisceau énergétique (ou les faisceaux énergétiques) est (sont) piloté(s) par un microprocesseur d'une unité de contrôle 9 comprenant la modélisation de l'objet pour fabriquer l'objet par fusion ou frittage successif de couches de poudre superposées. Lors d'un cycle de fabrication de l'objet, le plateau 3 est abaissé régulièrement, après consolidation de chaque couche de poudre, d'une distance égale à l'épaisseur de la couche de poudre consolidée. Pour ceci, le plateau 3 est relié à un mécanisme d'entraînement en un mouvement de translation verticale, selon la double flèche B, par exemple en reliant la tige verticale 10 de support du plateau 3 à un mécanisme de type pignon-crémaillère ou vis-écrou actionné par un servomoteur ou par un moteur pas à pas.
[0036] Plus particulièrement selon l'invention, l'appareil 1 comprend deux sources différentes d'énergie: un canon à faisceau d'électrons 1 1 et une source laser 12.
[0037] La source laser 12 est par exemple un laser à C02 ou un laser Nd :Yag qui a une puissance égale ou supérieure à 500 W. La source laser 12 est reliée à une unité de pilotage 13 d'un miroir galvanométrique 14 qui permet d'orienter et de déplacer le faisceau laser issu de la source 12 par rapport à l'objet 2 en fonction des informations envoyées par l'unité de contrôle 9. Le faisceau laser peut être déplacé par l'unité de contrôle 9 à une vitesse d'environ lOm/s. [0038] Le canon à électrons 1 1 comprend, de manière connue, un circuit de haute tension qui produit la tension d'accélération des électrons émis par l'électrode émettrice du canon qui est, elle, reliée à une source de courant permettant son chauffage pour produire l'émission d'électrons. Le faisceau d'électrons issus du canon est orienté par des bobines déflectrices 16 par rapport à l'objet 2 en fonction des informations envoyées par l'unité de contrôle 9. L'appareil 1 comprend également des bobines de focalisation 15 du faisceau permettant de réaliser une focalisation du faisceau d'électrons par rapport à la zone travaillée de l'objet 2. La puissance du canon d'électrons est d'environ 3000W et son faisceau peut être déplacé à une vitesse d'environ 1000m/s.
[0039] Les composants de l'appareil 1 sont agencés à l'intérieur d'une enceinte étanche 17 reliée à une pompe à vide 18 qui maintient un vide d'environ 10"4- 10"6 mbar à l'intérieur de l'enceinte. Un tel niveau de pression assure un bon fonctionnement du canon à électrons et permet d'éviter les phénomènes d'oxydation lorsque la fusion sélective de la poudre est effectuée par la source laser. La pompe à vide 18 est choisie de manière à ce que son débit soit suffisant pour prendre en compte le dégazage résultant du cycle thermique ainsi qu'un éventuel débit de fuite de l'enceinte 17.
[0040] Les parois de l'enceinte 17 sont de préférence en acier et sont suffisamment épaisses, l'épaisseur des parois pouvant être d'environ 20 à 30 mm, pour assurer la protection de l'opérateur contre les rayons X. L'enceinte 17 comporte par ailleurs des hublots (non représentés) permettant à l'opérateur de visualiser les différentes zones à l'intérieur de l'appareil, tout en assurant la protection contre les rayons X émis par le canon à électrons et contre les rayons lumineux émis par la source laser.
[0041] L'unité de contrôle 9 commande l'alimentation et le pilotage des sources d'énergie, l'alimentation en poudre depuis le réservoir et la distribution par les moyens de distribution d'une couche de poudre, ainsi que le mouvement du plateau. Dans une variante de l'invention, l'appareil comprend de plus des moyens de mesure de la température, tels une caméra IR ou CCD qui sont aptes à communiquer à l'unité de contrôle des informations concernant la température de la couche de poudre pour permettre d'ajuster ainsi les paramètres de fonctionnement du canon d'électrons pendant les phases de préchauffage.
[0042] Selon l'invention, on utilise le faisceau d'électrons 20 en provenance du canon 1 1 pour réaliser le préchauffage de la poudre avant de réaliser la fusion avec le faisceau laser 19 en provenance de la source 12. Plus particulièrement, le préchauffage s'effectue en plusieurs phases, notamment en deux phases selon l'exemple de la figure 2. Ainsi, lors de la première phase de préchauffage appelé préchauffage préliminaire et tel qu'illustré schématiquement à la fïg. 2a, on balaye la surface de l'objet 2 avec le faisceau d'électrons 20 de manière à effectuer plusieurs impacts ponctuels sur cette surface, par exemple de manière aléatoire ou selon un algorithme programmé dans la mémoire de l'unité de contrôle 9. Ceci permet de chauffer de manière homogène la surface de la couche de poudre jusqu'à une première température Tl , inférieure à la température de fusion, et de réduire ainsi le gradient de température et donc les déformations de l'objet fabriqué. Ensuite, on applique un préchauffage localisé, appelé préchauffage ultime, en faisant augmenter la température de la poudre jusqu'à une température T2, T2>T1 , mais inférieure à la température de fusion de la poudre. Lors de la phase de préchauffage ultime, on fait travailler simultanément les deux sources d'énergie, mais en faisant précéder le faisceau laser 19 par le faisceau d'électrons 20, tel que vu dans le sens de déplacement des faisceaux sur la surface de la couche de poudre. Tel que visible aux figures 2b et 2c, le centre de gravité de la zone d'impact du faisceau d'électrons est en avant par rapport au point d'impact du faisceau laser selon le sens de déplacement des faisceaux. Ceci permet de garantir une bonne montée en température de la poudre, à une température proche de la température de fusion de celle-ci, de manière localisée, juste avant la fusion par laser, et de réduire encore plus les éventuelles déformations pouvant apparaître lors de la fusion, ainsi que le temps de réalisation de l'objet.
[0043] Pour des raisons d'efficacité, on préfère maintenir constante la puissance du faisceau d'électrons lors des phases de préchauffage et augmenter la température de la couche de poudre en augmentant le nombre des points d'impact et la vitesse de déplacement du faisceau. [0044] La zone d'impact du faisceau laser et celle du faisceau d'électrons peuvent être de forme circulaire (fïg. 2b), en réglant le point de focalisation de chaque source à une distance prédéterminée au-dessus de la surface de la couche de poudre. Pour des objets qui nécessitent plus de précision de leur forme et de leur surface, s 'étendant de part et d'autre du point d'impact du faisceau laser, la zone d'impact du faisceau d'électrons peut avoir une forme oblongue (fïg. 2c), qui peut être obtenue en réglant le faisceau d'électrons, par exemple par pilotage des bobines 15 à l'origine des champs magnétiques de focalisation.
[0045] Les figures 2a à 2c représentent un exemple de fabrication d'objet par consolidation de la poudre utilisant deux phases de préchauffage, préliminaire et ultime, en utilisant un faisceau d'électrons. Toutefois, la poudre peut être amenée progressivement en température en utilisant plusieurs phases de préchauffage intermédiaire, le nombre de phases de préchauffage par faisceau d'électrons ainsi que la température dépend du type de poudre, de la granulométrie de la poudre, ainsi que de la géométrie de l'objet à fabriquer.
[0046] Les poudres utilisées avec le procédé de l'invention sont des poudres métalliques, telles les poudres de Ti, Ni-Ti, les superalliages, les alliages d'aluminium, d'invar, d'aciers inoxydables, de CoCr, de maraging et d'autres métaux ou des poudres céramiques. Selon la géométrie et les caractéristiques mécaniques ou de surface de l'objet à réaliser, ainsi que selon l'épaisseur de la couche finale visée, le diamètre moyen des particules de la poudre peut varier de quelques microns, par exemple 5μιη, à 300μιη. Selon les paramètres de fonctionnement des faisceaux énergétiques utilisés et selon les poudres utilisées, l'épaisseur d'une couche de poudre peut varier de quelques micromètres, par exemple ΙΟμιη, à plusieurs centaines de micromètres, par exemple 500μιη.
[0047] La figure 3 illustre l'évolution de la température T en fonction du temps t dans les grains de la couche de poudre soumise au traitement avec les deux faisceaux 19 et 20 selon une variante de réalisation du procédé de l'invention. Sur la fïg. 3 T; représente la température initiale de la poudre qui est égale à celle de l'intérieur de l'enceinte 17 et Tf représente la température de fusion de la poudre. Ainsi, une première phase de préchauffage par le faisceau d'électrons 20 a lieu à partir de la température initiale T; et jusqu'à une valeur de la température d'environ 0,5Tf, ce qui permet d'obtenir une température élevée des grains de la couche de poudre, sensiblement homogène dans toute la couche, les grains étant disposés côte à côte mais sans liens entre eux, tel que représenté schématiquement sur la figure 3, au niveau du premier palier d'homogénéisation. Une deuxième phase de préchauffage à l'aide du faisceau d'électrons 20 a lieu par la suite, ce qui fait augmenter la température des grains de poudre à une valeur d'environ 0,8Tf , jusqu'à un deuxième palier, appelé palier de diffusion où des ponts de cohésion intermoléculaire se forment entre les grains qui s'agglomèrent et gardent cette organisation initiale (tel que représenté schématiquement sur la fïg. 3 à côté du palier de diffusion). A partir de ce palier de diffusion, les grains sont chauffés jusqu'à la température de fusion Tf à l'aide du faisceau laser 19 et la couche de poudre est consolidée, tel que représenté schématiquement sur la fïg. 3 par les deux grains fusionnés ensemble. La température de la couche de poudre décroît ensuite lors de sa solidification, tel que représenté par le trait interrompu de la fïg. 3. Ces opérations sont reprises couche par couche jusqu'à l'obtention de l'objet tridimensionnel. A titre d'exemple, pour une poudre métallique à base de fer, les indications de températures respectives sont de l'ordre de 800°C pour le préchauffage préliminaire d'homogénéisation, 1 100°C pour le préchauffage ultime avec création de diffusion, avec une température de fusion avoisinant les 1400-1500°C.
[0048] L'exemple illustré à la figure 3 s'applique avantageusement aux poudres de moyenne à grande granulométrie. Le nombre de phases de préchauffage réalisées à l'aide du faisceau d'électrons jusqu'à atteindre le palier de diffusion à environ 0,8 Tf augmente avec la diminution de la granulométrie de la poudre.
[0049] D'autres variantes et modes de réalisation de l'invention peuvent être envisagés sans sortir du cadre de ses revendications. Ainsi, on peut utiliser plusieurs sources à faisceau d'électrons pour réaliser le préchauffage et/ou plusieurs sources à faisceau laser pour réaliser la fusion d'une couche de poudre.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de fabrication d'objet tridimensionnel (2), dans une enceinte étanche (17) reliée à une pompe à vide (18), par consolidation successive, couche par couche, des zones sélectionnées d'une strate de poudre, les zones consolidées correspondant à des sections successives de l'objet tridimensionnel, ledit procédé comportant les étapes suivantes prises dans l'ordre :
a - déposer une couche de poudre sur un support;
b - préchauffer au moins partiellement ladite couche de poudre au moyen d'une première source d'énergie à faisceau d'électrons (20);
c - chauffer ladite couche de poudre à l'aide d'une deuxième source d'énergie à faisceau laser (19) apte à fusionner les particules de poudre ;
d - réaliser le déplacement relatif du faisceau laser (19) de ladite deuxième source par rapport à l'objet (2) selon une trajectoire prédéterminée de manière à fusionner la poudre et former une section dudit objet;
e - répéter au moins les étapes a, c et d de manière à former plusieurs couches de matière fusionnée superposées constituant ledit objet (2).
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on effectue l'étape de préchauffage de ladite couche de poudre en plusieurs phases par déplacement du faisceau d'électrons (20) sur la surface de la couche de poudre de manière à augmenter progressivement la température de la poudre.
3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le nombre de phases de préchauffage de la poudre et la différence de température entre deux phases de préchauffage consécutives sont choisis en fonction de la granulométrie de la poudre.
4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les particules qui composent ladite poudre ont un diamètre moyen compris entre 5μιη 300μιη.
5. Procédé selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que la puissance spécifique du faisceau d'électrons (20) appliquée lors de la première phase de préchauffage est comprise entre 2.106 et 50.106 W/cm2 à proportion de 50% à 20% pour un préchauffage préliminaire et de 50%> à 80%> pour un préchauffage ultime.
6. Procédé selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que la dernière phase de préchauffage à faisceau d'électrons (20) est effectuée simultanément avec le chauffage à faisceau laser (19) selon une même trajectoire prédéfinie de manière à ce que le centre de gravité de la zone d'impact du faisceau d'électrons (20) soit situé en avant par rapport au point d'impact du faisceau laser (19) tel que vu dans le sens de déplacement desdits faisceaux.
7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la distance entre le centre de gravité de la zone d'impact du faisceau d'électrons (20) et le point d'impact du faisceau laser (19) est déterminée en fonction du matériau et de la granulométrie de la couche de poudre.
8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite poudre est une poudre métallique.
9. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce le point de focalisation du faisceau d'électrons (20) est situé au-dessus de la surface de ladite couche de poudre.
10. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit objet tridimensionnel (2) est un moule ou une partie de moule pour la fabrication d'un pneumatique.
11. Appareil (1) pour fabriquer un objet tridimensionnel (2) par consolidation successive, couche par couche, des zones sélectionnées d'une strate de poudre, les zones consolidées correspondant à des sections successives de l'objet tridimensionnel, ledit appareil comportant
- une enceinte étanche (17) reliée à une pompe à vide (18) à l'intérieur de laquelle sont placés
- des moyens de support (3) dudit objet ;
- des moyens de distribution (4) aptes à appliquer une couche de poudre sur ledit support ou sur une couche précédemment consolidée dudit objet ;
- une première source d'énergie à faisceau d'électrons (20) réalisée de manière à effectuer le préchauffage au moins partiel de ladite couche de poudre
- une deuxième source d'énergie à faisceau laser (19) apte à fusionner les particules de poudre ;
- des moyens de déplacement qui réalisent un déplacement relatif du rayonnement de ladite deuxième source à faisceau laser (19) par rapport à l'objet selon une trajectoire prédéterminée de manière à fusionner ladite couche de poudre.
12. Appareil selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comprend une unité de contrôle (9) apte à commander le fonctionnement desdites sources et moyens.
13. Appareil selon l'une des revendications 11 à 12, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de mesure de la température de la couche de poudre reliés à ladite unité de contrôle (9).
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