WO2016102876A1 - Outillage pour la fabrication de pieces par fusion selective ou frittage selectif sur lit de poudre, et procede de fabrication mettant en œuvre un tel outillage. - Google Patents

Outillage pour la fabrication de pieces par fusion selective ou frittage selectif sur lit de poudre, et procede de fabrication mettant en œuvre un tel outillage. Download PDF

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Definitions

  • Tooling for the manufacture of parts by selective melting or selective sintering on a powder bed, and manufacturing method using such tools.
  • the present invention relates to the general field of manufacture of metal parts, metal alloys or ceramic additive manufacturing.
  • the selective melting process (it is called selective sintering when it comes in particular to ceramics) on a bed of powder makes it possible to obtain complex parts that are difficult to achieve or not feasible with conventional processes such as foundry, forging or machining.
  • the aeronautical field is particularly suited to the use of this method.
  • this method has the advantage of being fast and not requiring specific tools unlike most conventional processes, which significantly reduces the costs and parts manufacturing cycles.
  • Such a method generally comprises a step during which a first powder layer of a metal, metal alloy or ceramic of controlled thickness is deposited on a production plate (for example a metal plate), then a step consisting of heating with a heating means (for example a laser or an electron beam) a predefined zone of the powder layer, and proceeding by repeating these steps for each additional layer, until a slice is obtained, of the final piece.
  • a heating means for example a laser or an electron beam
  • the parts have an anisotropic microstructure, the grains being directed in particular in the direction of the maximum thermal gradient, which happens to be in the normal direction to the production plate on which parts are made.
  • the strategy of The construction of the parts must be developed taking into account this anisotropy so that the grains are oriented in the preferred directions of stress of the part, which poses a major manufacturing constraint.
  • a part manufactured by selective melting or selective sintering on a powder bed has strong residual stresses capable of inducing deformation phenomena or even cracking in the part and at the interface between the part and the production plate.
  • the anisotropy and internal stresses observed on parts manufactured by traditional processes of selective melting or selective sintering on a powder bed are mainly due to too rapid dissipation and in a preferred direction of heat at the time of melting or sintering powder.
  • the inventors have studied the dissipation of heat and have noted that it operates in several ways: by convection at the gas constituting the atmosphere of the manufacturing chamber, by radiation, and by thermal conduction at the level of the surrounding powder and manufacturing platform supporting the part in progress.
  • a production plate comprising a material having a lower thermal conduction than metals or metal alloys traditionally used, for example ceramic, or more generally a refractory material.
  • the inventors have noticed that the production trays made of refractory material have adhesion problems with the parts, which are made of metal or metal alloy, mainly because the metals and the metal alloys hardly adhere with the ceramic of a metal. on the other hand, and expand more than the most refractory materials when heated on the other hand.
  • the main object of the present invention is therefore to overcome such disadvantages by proposing tools for the manufacture of three-dimensional parts made of metal, metal alloy or ceramic by a selective melting process or selective sintering on a powder bed, comprising:
  • heating means for melting or sintering at least a portion of a layer of metal, metal alloy or ceramic powder deposited on the production tray
  • a base comprising a refractory material
  • the coating consisting of at least one layer of a material having a coefficient of thermal expansion having a value between the value of the coefficient of thermal expansion of the refractory material of the base and five times the value of said coefficient of thermal expansion, the part being intended to be manufactured on said coating.
  • refractory material is understood to mean a material which minimizes heat exchange, for example a material having a sufficiently low thermal effusivity and preferably less than or equal to 4 kJ ⁇ K ⁇ m ⁇ m ⁇ s ⁇ 1 ⁇ 2.
  • refractory materials may be find among the ceramics, but also among the alloys such as for example the TA6V.
  • the coefficient of thermal expansion considered is defined throughout the temperature range to which the production plate is subjected, generally between the ambient temperature and the lowest melting point of the materials present in the coating (for example between 20 ° C. and 900 ° C).
  • the part is intended to be manufactured directly on the coating, even when it covers the base only partially.
  • the part is intended to be in contact only with the coating of the production plate.
  • the plate makes it possible, on the one hand, to limit the thermal conduction responsible for the anisotropy in the direction normal to the production plate because it comprises a base made of refractory material, and, on the other hand, to provide a adhesion of the workpiece to the work platform by means of a coating having at least one layer of material having the value of a higher coefficient of thermal expansion and sufficiently close to that of the coefficient of thermal expansion of the base.
  • this coating makes it possible to make the interface between the part and the base on which it can adhere, while ensuring the adhesion of the part on the production plate by allowing a dilution zone.
  • the coating comprises a plurality of layers, each layer of the plurality of layers having above an underlying layer having a coefficient of thermal expansion greater than the coefficient of thermal expansion of said underlying layer.
  • a layer of the coating has a thickness of between 0.1 mm and 5 mm.
  • the layers forming the coating may be more thermally conductive than the base, limiting their thickness thus limits the thermal losses due to the coating.
  • the coating has a thickness of less than or equal to 15 mm.
  • the base may be made of one of the following materials: Zirconia, SiO 2 , TA6V alloy.
  • a layer of the coating may be made of one of the following materials: an iron-based alloy, a cobalt-based alloy, a nickel-based alloy, a titanium-based alloy, a molybdenum-based alloy, an aluminum-based alloy, silicon carbide, tungsten carbide.
  • the invention also relates to a method for manufacturing three-dimensional parts made of metal, metal alloy or ceramic by selective melting or selective sintering on a powder bed, the method comprising successively the following steps:
  • the preceding steps are carried out on a production platform comprising:
  • a base comprising a refractory material
  • the coating consisting of at least one layer of a material having a coefficient of thermal expansion having a value between the value of the coefficient of thermal expansion of the refractory material of the base and five times the value of said coefficient of thermal expansion.
  • the coating comprises a plurality of layers, each layer of the plurality of layers present above an underlying layer having a coefficient of thermal expansion greater than the coefficient of thermal expansion of said underlying layer.
  • the layer of the coating intended to be in contact with the workpiece is made of the same material as the powder.
  • this layer is made of a material identical to that of the powder, the adhesion of the workpiece to the production plate is maximal since the last layer of the coating and the part of the first layer of powder intended to form the first portion of the part can merge optimally in a dilution zone.
  • FIG. 1 is a schematic view of a tool according to one embodiment of the invention
  • FIG. 1A is an enlarged view of the tool of FIG. 1 at the level of the production plate
  • FIG. 2 is a flowchart illustrating the steps of a method according to the invention. Detailed description of the invention
  • FIGS. 1 and 1A An example of tooling 1 for the manufacture of metal or metal alloy parts by selective melting or selective sintering on a powder bed according to one embodiment of the invention is illustrated in FIGS. 1 and 1A.
  • the tool 1 comprises a powder reservoir 10 and a hollow portion in which the workpiece 3 is manufactured.
  • the reservoir 1 and the portion 20 are located at the same level.
  • the powder reservoir 10 contains the metal powder 2 or a metal alloy which will be used to manufacture the part 3, while the part 20 is able to contain the part 3 to be manufactured as well as the unfused powder 4.
  • the powder reservoir 10 contains the metal powder 2 or a metal alloy which will be used to manufacture the part 3, while the part 20 is able to contain the part 3 to be manufactured as well as the unfused powder 4.
  • an alloy based on Iron for example XC48 Steel, Inox®
  • a cobalt-based alloy for example: MAR-M-509®
  • a nickel-based alloy for example: Inconel®625 , Hastelloy C276®, Hastelloy-X®, Hastelloy-W®
  • a titanium-based alloy for example: TA6V, ⁇ 6-2-4-2, Til7, T40
  • an alloy based on molybdenum for example of one of the following grades: 1050, 6061, 7075, 5053, 2024, 2618, 2219
  • silicon carbide for example tungsten carbide, etc.
  • the size of the grains of the powder may vary for example from
  • a movable platen 12 that can move vertically to push the powder up the tank.
  • a manufacturing plate 22 adapted to move vertically, and in particular to go down as the workpiece is manufactured.
  • the production plate 22 comprises a base 24 (FIG. 1A).
  • the base 24 may be ceramic and constituted for example by
  • the base 24 may be made of a sufficiently refractory alloy, for example of the TA6V type.
  • This base 24 is covered with a coating 26, composed for example of two layers 26a, 26b.
  • the part 3 is intended to be manufactured directly on the coating 26 of the production plate 22, even when the coating 26 partially covers the base 24. Thus, the part 3 is in contact only with the coating 26 during its manufacture .
  • the first layer 26a has a value of thermal expansion coefficient greater than or equal to the value of the coefficient of thermal expansion of the refractory material of the base 24, and less than or equal to five times the value of this coefficient.
  • the last layer 26b has a coefficient of thermal expansion greater than that of the first layer 26a.
  • the coefficient of thermal expansion of the materials of the layers forming the coating is less than that of the material constituting the powder. It is also possible to use for the last layer 26b, intended to be in contact with the piece 3, the same material as that of the powder.
  • the layers 26a, 26b have a thickness of between 0.1 and
  • deposition of these layers 26a, 26b can be carried out by various methods known to those skilled in the art such as: plasma or laser deposition, physical vapor phase deposition (PVD), chemical vapor deposition (CVD), fusion selective or selective sintering on powder bed, welding of prefabricated plates, injection of powdered metal Powder Injection Metal), extrusion, etc.
  • PVD physical vapor phase deposition
  • CVD chemical vapor deposition
  • fusion selective or selective sintering on powder bed welding of prefabricated plates, injection of powdered metal Powder Injection Metal), extrusion, etc.
  • a diffusion heat treatment at a temperature between 1000 ° C and 1250 ° C for 1 hour to 10 hours, and preferably under vacuum or protective atmosphere (under Argon).
  • the total thickness e of the coating 26 must not exceed 15 mm to limit heat losses in the coating.
  • the production plate 22 is in the up position and the mobile plate 12 is in the low position.
  • the first step of the process (E1) consists in depositing a first layer of powder on the production plate 22, and in particular on the coating 26.
  • the mobile plate 12 is mounted on a controlled length in order to push a quantity sufficient powder out of the tank 10, simultaneously the manufacturing plate 22 will lower on a controlled length (that chosen for a layer of powder, for example between 10 pm and 200 ⁇ ) then a spreading means 14 will distribute the powder extracted from the tank on the plateau manufacturing 22, and in particular on the coating 26, moving horizontally from the reservoir 10 to the production plate 22.
  • the excess powder can be discharged on the side opposite the reservoir, for example in an additional recovery tank.
  • the spreading means 14 which may for example be a roller or a scraper, thus makes it possible to uniformly deposit and distribute the powder layer on the production plate 22, and in particular on the coating 26.
  • a heating means 30 will make it possible to selectively melt or sinter a portion of the powder corresponding to a first portion of the piece (step E2).
  • This first layer may merge with the last layer 26b of the coating in a dilution zone 28 shown in Figure 1A, which will ensure the position of the part during the entire manufacturing process.
  • the heating means 30 may for example consist of a CO 2 laser, an Nd-YAG laser, or an electron beam generator, associated with means 32 for directing the beam 34 coming from the heating means to a surface precise layer of powder.
  • the heating means that can be used in a selective melting process or selective sintering on a powder bed are known to those skilled in the art and will not be detailed here.
  • the tool 1 is generally placed in a neutral gas atmosphere.
  • the heating means 30 is an electron beam generator, the tool 1 is placed in a secondary vacuum chamber.
  • step E3 When the melted or sintered powder has cooled, and if necessary solidified (step E3), the above operations can be repeated for each successive slice of the piece by depositing a layer of powder on the preceding one, until it's over.
  • the piece 3 is extracted from the production plate 22 of which it is integral, and can undergo conventional finishing treatments (step E4), such as machining, polishing, etc.
  • An alloy piece of Inconel® 718 type is produced from a powder of this alloy.
  • the production tray has a zirconia base, and a layer of metal alloy material.
  • the layer of a thickness of 3 mm, consists of an alloy of Inconel®718 type and is deposited by plasma deposition or by selective melting on a powder bed on the ceramic plate.
  • the production plate is imposed a temperature of 1230 ° C for 1 hour.
  • Table 1 groups together the main components of the alloys used in this first example, and the orders of magnitude of the thermal expansion coefficient (CDT) values of the materials constituting the plate.
  • CDT thermal expansion coefficient
  • a titanium alloy piece of the TA6V type is produced from a powder of this alloy.
  • the production tray has a base S1O2, and two layers of metal alloy material.
  • the first layer consisting of an Invar®-type alloy is deposited by plasma deposition on the ceramic plate and has a thickness of 2 mm.
  • the second layer consisting of an alloy of TA6V type, identical to that of the powder, is deposited by plasma deposition on the first layer and has a thickness of 5 mm.
  • the production plate is imposed a temperature of 1180 ° C for 1 hour to allow the layers to diffuse into the coating.
  • Table 2 groups together the main components of the alloys used in this second example, and the orders of magnitude of the thermal expansion coefficient (CDT) values of the materials constituting the plate.

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Abstract

L'invention concerne un outillage (1) pour la fabrication de pièces tridimensionnelles en métal, en alliage métallique ou en céramique par un procédé de fusion sélective ou frittage sélectif sur lit de poudre, comprenant : un plateau de fabrication (22) sur lequel est destinée à être fabriquée une pièce, un moyen d'étalement (14) d'une couche de poudre sur le plateau de fabrication (22) destiné à déposer une couche de poudre sur le plateau de fabrication, et un moyen de chauffage (30) destiné à faire fondre ou à fritter au moins une partie d'une couche de poudre en métal, en alliage métallique ou en céramique déposée sur le plateau de fabrication. Le plateau de fabrication (22) comprend : une base (24) comprenant un matériau réfractaire, et un revêtement (26) recouvrant au moins partiellement la base, le revêtement étant constitué d'au moins une couche (26a) d'un matériau ayant un coefficient de dilatation thermique présentant une valeur comprise entre la valeur du coefficient de dilatation thermique du matériau réfractaire de la base et cinq fois la valeur dudit coefficient de dilatation thermique, la pièce étant destinée à être fabriquée sur ledit revêtement. L'invention concerne aussi un procédé mettant en œuvre un tel outillage.

Description

Titre de l'invention
Outillage pour la fabrication de pièces par fusion sélective ou frittage sélectif sur lit de poudre, et procédé de fabrication mettant en œuvre un tel outillage.
Arrière-plan de l'invention
La présente invention se rapporte au domaine général de la fabrication de pièces métalliques, en alliages métalliques ou en céramique par fabrication additive.
II est aujourd'hui courant d'avoir recours à des techniques de fabrication additive pour réaliser facilement et rapidement des pièces complexes.
Lorsqu'il s'agit de la fabrication de pièces métalliques, en alliages métalliques ou en céramique, le procédé de fusion sélective (on parle de frittage sélectif lorsqu'il s'agit notamment de céramiques) sur lit de poudre permet d'obtenir des pièces complexes qui sont difficilement réalisables ou non réalisables avec les procédés conventionnels tels que la fonderie, la forge ou l'usinage. Le domaine aéronautique se prête particulièrement bien à l'utilisation de ce procédé.
En outre, ce procédé présente l'avantage d'être rapide et ne pas nécessiter d'outillage spécifique contrairement à la plupart des procédés conventionnels, ce qui réduit considérablement les coûts et les cycles de fabrication des pièces.
Un tel procédé comprend généralement une étape durant laquelle est déposée sur un plateau de fabrication (par exemple métallique) une première couche de poudré ' d'un métal, d'un alliage métallique ou de céramique d'épaisseur contrôlée, puis une étape consistant à chauffer avec un moyen de chauffage (par exemple un laser ou un faisceau d'électrons) une zone prédéfinie de la couche de poudre, et de procéder en répétant ces étapes pour chaque couche supplémentaire, jusqu'à l'obtention, tranche par tranche, de la pièce finale.
Cependant, dans les procédés connus de fusion sélective ou frittage sélectif sur lit de poudre, les pièces présentent une microstructure anisotrope, les grains étant dirigés notamment dans le sens du gradient thermique maximum, qui se trouve être dans la direction normale au plateau de fabrication sur lequel les pièces sont réalisées. La stratégie de construction des pièces doit ainsi être mise au point en tenant compte de cette anisotropie afin que les grains soient orientés dans les directions privilégiées de sollicitations de la pièce, ce qui pose une importante contrainte de fabrication.
Par ailleurs, une pièce fabriquée par fusion sélective ou frittage sélectif sur lit de poudre présente des contraintes résiduelles fortes susceptibles d'induire des phénomènes de déformation voire des fissurations dans la pièce et à l'interface entre la pièce et le plateau de fabrication.
II existe donc un besoin de disposer d'un outillage et d'un procédé de fabrication de pièces en métal, en alliage métallique ou en céramique par fusion sélective ou frittage sélectif sur lit de poudre qui permettent d'obtenir des pièces présentant des propriétés plus isotropes et de réduire les contraintes internes dans la pièce, afin de limiter sa déformation et son risque de fissuration.
Objet et résumé de l'invention
L'anisotropie et les contraintes internes observées sur les pièces fabriquées par des procédés traditionnels de fusion sélective ou frittage sélectif sur lit de poudre sont principalement dues à une dissipation trop rapide et dans une direction privilégiée de la chaleur au moment de la fusion ou du frittage de la poudre.
Les Inventeurs ont étudié la dissipation de la chaleur et ont noté qu'elle s'opère de plusieurs manières : par convection au niveau du gaz constituant l'atmosphère de l'enceinte de fabrication, par rayonnement, et par conduction thermique au niveau de la poudre environnante et du plateau de fabrication supportant la pièce en cours de réalisation.
Il a été observé que le front de solidification de la zone fondue ou frittée progresse dans la direction opposée au flux de chaleur dirigé perpendiculairement au plateau de fabrication, ce qui entraîne une croissance des grains dans la même direction. Lors de la solidification de la couche N, l'orientation cristalline de la couche N-l est conservée par épitaxie. Il en résulte des grains allongés dans le sens de ce gradient thermique. C'est ce phénomène qui est ainsi responsable majoritairement de l'anisotropie finale de la pièce. Et parmi les facteurs précités c'est le plateau de fabrication, traditionnellement métallique ou en alliage métallique, qui est source de la plus forte dissipation thermique.
Par conséquent, il serait envisageable de réduire ces phénomènes en utilisant un plateau de fabrication comportant un matériau présentant une conduction thermique plus basse que les métaux ou les alliages métalliques traditionnellement utilisés, par exemple en céramique, ou plus généralement en un matériau réfractaire.
Cependant, les Inventeurs ont remarqué que les plateaux de fabrication en matériau réfractaire présentent des problèmes d'adhésion avec les pièces, qui sont en métal ou en alliage métallique, principalement parce que les métaux et les alliages métalliques adhèrent difficilement avec la céramique d'une part, et se dilatent plus que les matériaux les plus réfractaires lorsqu'ils sont chauffés d'autre part. Or, il faut qu'existe une zone dite de « dilution » dans laquelle le plateau de fabrication et les premières couches de poudre peuvent fusionner afin que la pièce adhère correctement sur le plateau.
La présente invention a donc pour but principal de pallier de tels inconvénients en proposant un outillage pour la fabrication de pièces tridimensionnelles en métal, en alliage métallique ou en céramique par un procédé de fusion sélective ou frittage sélectif sur lit de poudre, comprenant :
un plateau de fabrication sur lequel est destinée à être fabriquée une pièce,
un moyen d'étalement d'une couche de poudre sur le plateau de fabrication destiné à déposer une couche de poudre sur le plateau de fabrication, et
un moyen de chauffage destiné à faire fondre ou à fritter au moins une partie d'une couche de poudre en métal, en alliage métallique ou en céramique déposée sur le plateau de fabrication,
caractérisé en ce que le plateau de fabrication comprend :
une base comprenant un matériau réfractaire, et
un revêtement recouvrant au moins partiellement la base, le revêtement étant constitué d'au moins une couche d'un matériau ayant un coefficient de dilatation thermique présentant une valeur comprise entre la valeur du coefficient de dilatation thermique du matériau réfractaire de la base et cinq fois la valeur dudit coefficient de dilatation thermique, la pièce étant destinée à être fabriquée sur ledit revêtement.
Par matériau réfractaire on entend un matériau minimisant les échanges thermiques, par exemple un matériau ayant une effusivité thermique suffisamment faible et de préférence inférieure ou égale à 4 kJ.K^.m^.s"1 2. Des exemples de matériaux réfractaires peuvent se trouver parmi les céramiques, mais aussi parmi les alliages comme par exemple le TA6V.
Le coefficient de dilatation thermique considéré est défini dans tout l'intervalle de température auquel est soumis le plateau de fabrication, généralement entre la température ambiante et la température de fusion la plus basse des matériaux présents dans le revêtement (par exemple entre 20°C et 900°C).
On notera que la pièce est destinée à être fabriquée directement sur le revêtement, même lorsque ce dernier ne recouvre la base que partiellement. En d'autres termes, la pièce n'est destinée à être en contact qu'avec le revêtement du plateau de fabrication. Ainsi, le plateau permet d'une part, de limiter la conduction thermique responsable de l'anisotropie dans la direction normale au plateau de fabrication parce qu'il comprend une base en matériau réfractaire, et, d'autre part, d'assurer une adhésion de la pièce avec le plateau de fabrication grâce à un revêtement ayant au moins une couche de matériau présentant Line valeur de coefficient de dilatation thermique supérieure et suffisamment proche de celle du coefficient de dilatation thermique de la base. En d'autres termes, ce revêtement permet de faire l'interface entre la pièce et la base sur laquelle il peut adhérer, tout en assurant l'adhésion de la pièce sur le plateau de fabrication en permettant une zone de dilution.
De préférence, le revêtement comprend une pluralité de couches, chaque couche de la pluralité de couches présente au-dessus d'une couche sous-jacente ayant un coefficient de dilatation thermique supérieur au coefficient de dilatation thermique de ladite couche sous- jacente.
Avec une telle disposition, on peut adapter progressivement les propriétés du revêtement pour qu'elles se rapprochent de celles de la base au niveau de la première couche de matériau en garantissant une adhésion avec celle-ci, et qu'elles se rapprochent aussi de celles de la poudre au niveau de ses couches supérieures pour assurer la fixation de la pièce.
De préférence encore, une couche du revêtement présente une épaisseur comprise entre 0,1 mm et 5 mm.
Comme les couches formant le revêtement peuvent être plus conductrices thermiquement que la base, en limitant leur épaisseur on limite ainsi les pertes thermiques dues au revêtement.
De préférence également, le revêtement a une épaisseur inférieure ou égale à 15 mm.
De même, en limitant l'épaisseur totale du revêtement, on limite les pertes thermiques dues au plateau de fabrication.
La base peut être constituée d'un matériau parmi les suivants : Zircone, Si02, alliage TA6V.
Une couche du revêtement peut être constituée d'un matériau parmi les suivants : un alliage à base de Fer, un alliage à base de Cobalt, un alliage à base de Nickel, un alliage à base de Titane, un alliage à base de Molybdène, un alliage à base d'Aluminium, du Carbure de Silicium, du Carbure de Tungstène.
L'invention vise aussi un procédé de fabrication de pièces tridimensionnelles en métal, en alliage métallique ou en céramique par fusion sélective ou frittage sélectif sur lit de poudre, le procédé comprenant successivement les étapes suivantes :
le dépôt d'au moins une couche de poudre d'un métal, d'un alliage métallique ou d'une céramique destiné à constituer la pièce, et la fusion ou le frittage d'au moins une partie de la couche de poudre par un moyen de chauffage. Conformément à l'invention, les étapes précédentes sont réalisées sur un plateau de fabrication comprenant :
une base comprenant un matériau réfractaire, et
un revêtement recouvrant au moins partiellement la base, le revêtement étant constitué d'au moins une couche d'un matériau ayant un coefficient de dilatation thermique présentant une valeur comprise entre la valeur du coefficient de dilatation thermique du matériau réfractaire de la base et cinq fois la valeur dudit coefficient de dilatation thermique.
De préférence, le revêtement comprend une pluralité de couches, chaque couche de la pluralité de couches présente au-dessus d'une couche sous-jacente ayant un coefficient de dilatation thermique supérieur au coefficient de dilatation thermique de ladite couche sous- jacente.
De préférence également, la couche du revêtement destinée à être en contact avec la pièce à fabriquer est constituée du même matériau que la poudre. Ainsi, comme cette couche est réalisée dans un matériau identique à celui de la poudre, l'adhésion de la pièce au plateau de fabrication est maximale puisque la dernière couche du revêtement et la partie de la première couche de poudre destinée à former la première tranche de la pièce peuvent fusionner de façon optimale dans une zone de dilution.
Brève description des dessins
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les figures :
- la figure 1 est une vue schématique d'un outillage selon un mode de réalisation de l'invention,
- la figure 1A est une vue agrandie de l'outillage de la figure 1 au niveau du plateau de fabrication, et
- la figure 2 est un ordinogramme illustrant les étapes d'un procédé selon l'invention. Description détaillée de l'invention
Un exemple d'outillage 1 pour la fabrication de pièces en métal ou en alliage métallique par fusion sélective ou frittage sélectif sur lit de poudre selon un mode de réalisation de l'invention est illustré sur les figures 1 et 1A.
De façon connue en soi, l'outillage 1 comprend un réservoir de poudre 10 et une partie 20 creuse dans laquelle est fabriquée la pièce 3.
Le réservoir 1 et la partie 20 sont situés au même niveau.
Le réservoir de poudre 10 contient la poudre 2 métallique ou d'un alliage métallique qui servira à fabriquer la pièce 3, tandis que la partie 20 est apte à contenir la pièce 3 à fabriquer ainsi que la poudre non fusionnée 4. On peut par exemple utiliser pour fabriquer la pièce une poudre d'un métal, d'un alliage métallique ou d'une céramique. Par exemple un alliage à base de Fer (par exemple en Acier XC48, Inox®), un alliage à base de Cobalt (par exemple : MAR-M-509®), un alliage à base de Nickel (par exemple : Inconel®625, Hastelloy C276®, Hastelloy-X®, Hastelloy- W®), un alliage à base de Titane (par exemple : TA6V, ΤΊ6-2-4-2, Til7, T40), un alliage à base de Molybdène, un alliage à base d'Aluminium (par exemple d'un des grades suivants : 1050, 6061, 7075, 5053, 2024, 2618, 2219), du Carbure de Silicium, du Carbure de Tungstène, etc.
La taille des grains de la poudre peut varier par exemple de
5 pm à 150 pm.
Au fond du réservoir 10 se trouve un plateau mobile 12 qui peut se déplacer verticalement afin de pousser la poudre vers le haut du réservoir.
De même, au fond de la partie 20 se trouve un plateau de fabrication 22 apte à se déplacer verticalement, et notamment à descendre au fur et à mesure de la fabrication de la pièce.
Conformément à l'invention, le plateau de fabrication 22 comprend une base 24 (figure 1A).
La base 24 peut être en céramique et constituée par exemple de
Zircone, de Silice (SiO2), etc. En variante, la base 24 peut être constituée d'un alliage suffisamment réfractaire, par exemple du type TA6V.
Cette base 24 est recouverte d'un revêtement 26, composé par exemple de deux couches 26a, 26b. La pièce 3 est destinée à être fabriquée directement sur le revêtement 26 du plateau de fabrication 22, même lorsque le revêtement 26 recouvre partiellement la base 24. Ainsi, la pièce 3 n'est en contact qu'avec le revêtement 26 lors de sa fabrication.
De préférence, la première couche 26a présente une valeur de coefficient de dilatation thermique supérieure ou égale à la valeur du coefficient de dilatation thermique du matériau réfractaire de la base 24, et inférieure ou égale à cinq fois la valeur de ce coefficient. La dernière couche 26b possède un coefficient de dilatation thermique supérieur à celui de la première couche 26a. Avantageusement, le coefficient de dilatation thermique des matériaux des couches formant le revêtement est inférieur à celui du matériau constituant la poudre. On peut aussi utiliser pour la dernière couche 26b, destinée à être en contact avec la pièce 3, le même matériau que celui de la poudre.
Les couches 26a, 26b ont une épaisseur comprise entre 0,1 et
5 mm.
Le dépôt de ces couches 26a, 26b peut être effectué par différents procédés connus de l'homme de l'art tels que : dépôt plasma ou laser, dépôt physique par phase vapeur {PVD), dépôt chimique par phase vapeur (CVD), fusion sélective ou frittage sélectif sur lit de poudre, soudure de plaques préfabriquées, injection de poudres métalliques Powder Injection Métal), extrusion, etc.
A l'issue de ces dépôts, il est possible d'effectuer des traitements thermiques de diffusion sur les couches 26a, 26b formant le revêtement 26 de sorte qu'une diffusion s'opère entre ces couches, que les propriétés du revêtement suivent ainsi un gradient vertical et qu'il n'y ait pas de discontinuité importante entre les couches, notamment du coefficient de dilatation thermique. En d'autres termes, ces traitements thermiques permettent de limiter la dilatation thermique différentielle entre les couches du revêtement.
Par exemple, pour des couches comprenant un alliage à base de Nickel ou en acier, on pourra effectuer un traitement thermique de diffusion à une température comprise entre 1000°C et 1250°C pendant 1 heure à 10 heures, et de préférence sous vide ou atmosphère protectrice (sous Argon).
Dans le cas où le revêtement 26 est constitué de plus de deux couches, l'épaisseur totale e du revêtement 26 ne doit pas dépasser 15 mm pour limiter les pertes thermiques dans le revêtement.
Avant que le procédé ne débute, le plateau de fabrication 22 est en position haute et le plateau mobile 12 est en position basse.
La première étape du procédé (El) consiste à déposer une première couche de poudre sur le plateau de fabrication 22, et en particulier sur le revêtement 26. Pour ce faire, le plateau mobile 12 est monté sur une longueur contrôlée afin de pousser une quantité suffisante de poudre hors du réservoir 10, simultanément le plateau de fabrication 22 va s'abaisser sur une longueur contrôlée (celle choisie pour une couche de poudre, par exemple entre 10 pm et 200 μητι) puis un moyen d'étalement 14 va répartir la poudre extraite du réservoir sur le plateau de fabrication 22, et notamment sur le revêtement 26, en se déplaçant horizontalement depuis le réservoir 10 vers le plateau de fabrication 22. Le surplus de poudre peut être évacué du côté opposé au réservoir, par exemple dans un réservoir supplémentaire de récupération.
Le moyen d'étalement 14, qui peut par exemple être un rouleau ou un racleur, permet ainsi de déposer et de répartir uniformément la couche de poudre sur le plateau de fabrication 22, et notamment sur le revêtement 26.
Une fois la première couche déposée, un moyen de chauffage 30 va permettre de faire fondre ou de fritter sélectivement une partie de la poudre correspondant à une première tranche de la pièce (étape E2).
Cette première couche peut fusionner avec la dernière couche 26b du revêtement dans une zone de dilution 28 illustrée sur la figure 1A, ce qui assurera le maintien en position de la pièce durant tout le procédé de fabrication.
Le moyen de chauffage 30 peut par exemple consister en un laser à C02, un laser Nd-YAG, ou un générateur de faisceau d'électrons, associé à des moyens 32 permettant de diriger le faisceau 34 issu du moyen de chauffage sur une surface précise de la couche de poudre. Les moyens de chauffage qui peuvent être utilisés dans un procédé de fusion sélective ou frittage sélectif sur lit de poudre sont connus de l'homme de l'art et ne seront pas détaillés ici.
Dans le cas où le moyen de chauffage 30 est un laser, l'outillage 1 est généralement placé dans une atmosphère de gaz neutre. En variante, si le moyen de chauffage 30 est un générateur de faisceau d'électrons, l'outillage 1 est placé dans une enceinte sous vide secondaire.
Quand la poudre fondue ou frittée a refroidi, et s'est solidifiée le cas échéant (étape E3), on peut répéter les opérations précédentes pour chaque tranche successive de la pièce en déposant une couche de poudre sur la précédente, jusqu'à ce qu'elle soit terminée.
Une fois la fabrication terminée, la pièce 3 est extraite du plateau de fabrication 22 duquel elle est solidaire, et peut subir des traitements de finition classiques (étape E4), tels que de l'usinage, du polissage, etc.
Dans le présent exposé, l'expression « compris entre ... et ... » doit être comprise comme incluant les bornes. Premier exemple
On réalise une pièce en alliage de type Inconel® 718 à partir d'une poudre de cet alliage.
Le plateau de fabrication comporte une base en Zircone, et une couche de matériau en alliage métallique.
La couche, d'une épaisseur de 3 mm, est constituée d'un alliage de type Inconel®718 et est déposée par dépôt plasma ou par fusion sélective sur lit de poudre sur le plateau en céramique.
Pour finaliser le dépôt du revêtement, on impose au plateau de fabrication une température de 1230°C pendant 1 heure.
Le Tableau 1 regroupe les principaux composants des alliages utilisés dans ce premier exemple, et les ordres de grandeur des valeurs des coefficients de dilatation thermiques (CDT) des matériaux constituant le plateau.
Tableau 1
Figure imgf000012_0001
Deuxième exemple
On réalise une pièce en alliage à base de Titane du type TA6V à partir d'une poudre de cet alliage.
Le plateau de fabrication comporte une base en S1O2, et deux couches de matériau en alliage métallique.
La première couche constituée d'un alliage de type Invar® est déposée par dépôt plasma sur le plateau en céramique et présente une épaisseur de 2 mm.
La deuxième couche constituée d'un alliage de type TA6V, identique à celui de la poudre, est déposée par dépôt plasma sur la première couche et présente une épaisseur de 5 mm.
Pour finaliser le dépôt du revêtement, on impose au plateau de fabrication une température de 1180°C pendant 1 heure afin de laisser diffuser les couches dans le revêtement. Le Tableau 2 regroupe les principaux composants des alliages utilisés dans ce deuxième exemple, et les ordres de grandeur des valeurs des coefficients de dilatation thermiques (CDT) des matériaux constituant le plateau.
Tableau 2
TA6V Invar® Si02
Ti (base)
Fe (64%) Si (47%)
Composition massique Al (6%)
Ni (36%) 0 (53%) Va (4%)
CDT à 200°C (1CT6 I 1) 9 2 0,4

Claims

REVENDICATIONS
1. Outillage (1) pour la fabrication de pièces tridimensionnelles en métal, en alliage métallique ou en céramique par un procédé de fusion sélective ou frittage sélectif sur lit de poudre, comprenant :
un plateau de fabrication (22) sur lequel est destinée à être fabriquée une pièce,
un moyen d'étalement (14) d'une couche de poudre sur le plateau de fabrication (22) destiné à déposer une couche de poudre sur le plateau de fabrication, et
un moyen de chauffage (30) destiné à faire fondre ou à fritter au moins une partie d'une couche de poudre en métal, en alliage métallique ou en céramique déposée sur le plateau de fabrication, caractérisé en ce que le plateau de fabrication (22) comprend :
une base (24) comprenant un matériau réfractaire, et un revêtement (26) recouvrant au moins partiellement la base, le revêtement étant constitué d'au moins une couche (26a) d'un matériau ayant un coefficient de dilatation thermique présentant une valeur comprise entre la valeur du coefficient de dilatation thermique du matériau réfractaire de la base et cinq fois la valeur dudit coefficient de dilatation thermique, la pièce étant destinée à être fabriquée sur ledit revêtement.
2. Outillage selon la revendication 1, caractérisé en ce que le revêtement (26) comprend une pluralité de couches (26a, 26b), chaque couche de la pluralité de couches présente au-dessus d'une couche sous- jacente ayant un coefficient de dilatation thermique supérieur au coefficient de dilatation thermique de ladite couche sous-jacente.
3. Outillage selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'une couche (26a, 26b) du revêtement (26) présente une épaisseur comprise entre 0,1 mm et 5 mm.
4. Outillage selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le revêtement (26) a une épaisseur (e) inférieure ou égale à 15 mm.
5. Outillage selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la base (24) est constituée d'un matériau parmi les suivants : Zircone, Si02, alliage TA6V.
6. Outillage selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'une couche du revêtement (26a, 26b) est constituée d'un matériau parmi les suivants : un alliage à base de Fer, un alliage à base de Cobalt, un alliage à base de Nickel, un alliage à base de Titane, un alliage à base de Molybdène, un alliage à base d'Aluminium, du Carbure de Silicium, du Carbure de Tungstène.
7. Procédé de fabrication de pièces tridimensionnelles en métal, en alliage métallique ou en céramique par fusion sélective ou frittage sélectif sur lit de poudre, le procédé comprenant successivement les étapes suivantes :
le dépôt d'au moins une couche de poudre d'un métal, d'un alliage métallique ou d'une céramique destiné à constituer la pièce, et la fusion ou le frittage d'au moins une partie de la couche de poudre par un moyen de chauffage (30),
caractérisé en ce que les étapes précédentes sont réalisées sur un plateau de fabrication comprenant :
une base (24) comprenant un matériau réfractaire, et un revêtement (26) recouvrant au moins partiellement la base, le revêtement étant constitué d'au moins une couche (26a) d'un matériau ayant un coefficient de dilatation thermique présentant une valeur comprise entre la valeur du coefficient de dilatation thermique du matériau réfractaire de la base et cinq fois la valeur dudit coefficient de dilatation thermique.
8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le revêtement (26) comprend une pluralité de couches (26a, 26b), chaque couche de la pluralité de couches présente au-dessus d'une couche sous- jacente ayant un coefficient de dilatation thermique supérieur au coefficient de dilatation thermique de ladite couche sous-jacente.
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 et 8, caractérisé en ce que la couche (26b) du revêtement (26) destinée à être en contact avec la pièce à fabriquer est constituée du même matériau que la poudre.
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