WO2018078056A1 - Perfectionnements d'un appareil de fabrication par méthode additive selective - Google Patents

Perfectionnements d'un appareil de fabrication par méthode additive selective Download PDF

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WO2018078056A1
WO2018078056A1 PCT/EP2017/077521 EP2017077521W WO2018078056A1 WO 2018078056 A1 WO2018078056 A1 WO 2018078056A1 EP 2017077521 W EP2017077521 W EP 2017077521W WO 2018078056 A1 WO2018078056 A1 WO 2018078056A1
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powder
ionization
layer
chamber
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PCT/EP2017/077521
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Gilles WALRAND
Tiberiu Minea
Didier VALENTIN
Jean-Claude Aperce
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Addup
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Definitions

  • the present invention relates to selective additive manufacturing.
  • Selective additive manufacturing consists in producing three-dimensional objects by consolidating selected areas on successive layers of powder material (metal powder, ceramic powder).
  • the consolidated areas correspond to successive sections of the three-dimensional object.
  • the consolidation is done, layer by layer, by a total or partial selective melting carried out with a source of consolidation.
  • This source is conventionally a source of radiation (for example a high power laser beam) or a source of particle beam (for example an electron beam - technology called EBM or "Electron Beam Melting" according to the English terminology generally used in the field).
  • the primary source is an electron gun, which is used to perform the selective fusion at the heart of the object.
  • a secondary source which is a laser source and which is used, layer after layer, to carry out the selective fusion at the level of the skin or border zones.
  • an object having different mechanical or metallographic properties for example at its periphery (edge or skin) and in its volume (heart).
  • An example of this is described in patent application WO2013 / 092997.
  • the vapor in the atomic state or in the form of clusters of atoms up to the powder (also called “clusters"), is produced by the vaporization of the surface under the effect of the primary beam (electrons or laser) intense.
  • This Steam is essentially neutral, because the evaporation process takes place, in general, at thermodynamic equilibrium.
  • the charged vapor thus formed has a high capacity to deposit (condensation) on any solid material with which this vapor comes into contact, and in particular on all metals but also on dielectric materials (ceramics, glass, plastic, etc.) or semiconductors (silicon, germanium, GaAs, etc.).
  • the particles of this vapor thus propagate to the walls in a ballistic manner at low pressure or diffusive up to atmospheric pressure.
  • the deposits that result are particularly harmful.
  • a general object of the invention is to overcome these problems of deposition.
  • the invention provides a solution for greatly limiting the deposits of charged vapors in selective additive manufacturing enclosures.
  • the invention proposes a solution that does not have the disadvantages of the solutions of the prior art.
  • the invention proposes an apparatus for manufacturing a three-dimensional object by selective additive manufacturing comprising in an enclosure:
  • a dispensing arrangement adapted to apply a layer of powder on said support or tray or on a previously consolidated layer
  • At least one source adapted to the selective consolidation of a layer of powder applied by the distribution arrangement, characterized in that it comprises an ionization chamber situated in the vicinity of at least one module and / or optical component / electronics to protect deposits, in the path of the vapor charged back to said module and / or component in the enclosure.
  • Such an apparatus advantageously finds application in the case where the enclosure is a vacuum enclosure, but also applies in the case where the manufacture is carried out at atmospheric pressure or at lower pressures.
  • the apparatus may include the following features, taken alone or in any of their technically possible combinations:
  • a heat shield which has an opening allowing the passage of the radiation and / or the electron beam and which extends from said opening to the support plate, around the zone of the powder bed and in that the chamber ionization is arranged at said opening,
  • the ionization chamber is integrated in a carcass mounted on a heat shield
  • the ionization chamber comprises two electrodes and a power supply which polarizes them in order to collect the ions created in the ionization chamber or initially present in the charged vapor, when the one -this goes up to said room,
  • the ionization source is a source of accelerated electrons, the electrons of the ionization source are accelerated by a voltage between 10 and 100 V,
  • the source of ionization is a photonic source, said source is a UV lamp,
  • an optical / electronic component or module is a lens, a camera, a sensor or a source of laser-type radiation.
  • Ionization can be performed by an electron source or a photon source.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a selective additive manufacturing apparatus according to a possible embodiment of the invention.
  • FIG. 2 generally illustrates a possible configuration for the heat shield and the ionization chamber of an apparatus of the type of that of FIG. 1;
  • FIGS. 3 and 4 illustrate two possible embodiments for the ionization chamber of an apparatus of the type of FIG. 1.
  • the selective additive manufacturing apparatus 1 of FIG. 1 comprises:
  • a support such as a plate, for example a horizontal plate 3, on which are deposited successively the different layers of additive manufacturing powder (metal powder, ceramic powder, etc.) making it possible to manufacture a three-dimensional object (object 2 in fir shape in the figure),
  • additive manufacturing powder metal powder, ceramic powder, etc.
  • this arrangement 4 comprising in particular a squeegee 5 for spreading the different successive layers of powder (displacement along the double arrow A),
  • control unit 9 which controls the various components of the apparatus 1 according to pre-stored information (memory M), a mechanism 10 for enabling the support of the plate 3 to be lowered as the layers are deposited (displacement along the double arrow B).
  • the set 8 comprises two sources of consolidation:
  • the assembly 8 may comprise only one source, for example a source of energy located under vacuum or at low pressure: electron gun, laser source, etc.
  • a galvanometric mirror 14 makes it possible to orient and move the laser beam coming from the source 12 with respect to the object 2 as a function of the information sent by the control unit 9.
  • Deflection and focusing coils 15 and 16 locally deflect and focus the electron beam on the layer areas to be sintered or fused.
  • the components of the apparatus 1 are arranged inside a sealed enclosure 17 connected to a vacuum pump 18 which maintains a vacuum inside said enclosure 17 (typically around 10 " 2/10 " 3 mbar, even 10 " 4/10 " 6 mbar).
  • the walls of the enclosure 17 are preferably made of steel and are sufficiently thick to protect the operator against X-rays.
  • the enclosure 17 furthermore includes portholes (not shown) enabling the operator to visualize the different areas inside the device, while providing protection against X-rays emitted by the electron gun and against the light rays emitted by the laser source.
  • the apparatus 1 may furthermore comprise temperature measuring means, such as an IR or CCD camera, which are capable of communicating to the control unit 9 information concerning the temperature of the powder layer and making it possible to adjust thereby the operating parameters of the electron gun 11 or the source 12 of the laser type.
  • temperature measuring means such as an IR or CCD camera
  • the laser beam 19 from the source 12 consolidates, layer by layer, the skin or outer edge of the object 2.
  • the electron beam 20 generated by the barrel 11 is meanwhile used to consolidate the inner core of object 2 (heart).
  • the consolidation carried out by the electron beam 20 can be done layer by layer, at the same time as the consolidation at the periphery by the laser beam 19.
  • the rapid displacement of the electron beam 20 makes it possible to sweep and consolidate the central portion of the layer, while the displacement of the laser beam, slower, occurs simultaneously on a shorter path, which is that of the contour of said central portion.
  • Reverse operation can also be envisaged (scanning of the core by the electron beam and an area of periphery by the laser beam).
  • the consolidation by the electron beam 20 can be done in several layers, after each of these layers have been fused at the periphery by the laser beam 19.
  • the apparatus 1 further comprises a heat shield T.
  • This screen T is a material for absorbing radiation from the impact of electron beams on the powder layers.
  • it may have a parallelepipedal shape provided with an opening in the upper part allowing the passage of the primary beam of energy (electrons, laser, etc.) and which extends by flaring out of said opening towards the support plate.
  • the primary beam of energy electrons, laser, etc.
  • This form is for example a truncated-pyramidal or frustoconical formed by the assembly of several plates or sectors in the material for absorbing radiation, for example steel.
  • Ionization chamber 2 It can be arranged above the plate 2 and the zone where the powder layers are applied, with a space allowing the passage of the squeegee 5.
  • An ionization chamber 23 is disposed at said opening 22 at the top of the heat shield T.
  • This chamber 23 is defined by the inner walls of a carcass
  • the walls of said chamber 23 and said openings 26, 27 are oriented to allow a direct path (optical, laser, etc.), through said chamber 23 and said openings 26, 27, between an element 24 to protect (transparent optical window , semiconductor sensor, etc.) located opposite the opening 27 (for example an element which extends substantially normal to the axis of the opening 27), outside the heat shield , and a bed of powder on the tray 3.
  • optical window 24 Various components or optical / electronic modules can be arranged at this optical window 24.
  • This may be the case of the laser 12 and / or the mirror 14, or a camera, where appropriate associated with optical lenses, to observe the plate 3 and the course of additive manufacturing.
  • the ionization chamber 23 comprises at least two inner electrodes 28, 29 and a power supply 31 which polarizes said electrodes.
  • the electric field E created between these electrodes 28, 29 makes it possible to collect the ions produced in the charged vapor which goes up to the ionization chamber 23.
  • This vapor is ionized in said chamber.
  • This force induces the deflection of the ionized vapor with respect to its initial ejection trajectory.
  • the ionized vapor is then mainly intercepted by the electrodes 28 and 29: the positive ions are guided by the field E to the electrode having the lowest potential ('cathode'); the negative ions, just like the free electrons, are guided towards the other electrode ('anode').
  • This electric field E is continuous or variable in time.
  • the power supply 31 can be a battery, a source of voltage or direct current, a low or high frequency power supply, or a bipolar, multipolar or pulse power supply.
  • the optics and components placed opposite the outer opening 27 (at the level of the window 24) are protected and preserved from significant deposits.
  • the carcass 25 can be mounted directly on the heat shield T. It can be removably mounted thereon or can be fixed non-releasably.
  • the carcass 25 can serve as a potential reference for the source 31. It can be connected to the mass or kept floating. These walls are electrically insulated from the electrodes 28 and 29 by dielectrics 30. They also act as a heat shield with respect to the additional heat that can be released in the ionization chamber itself.
  • the heat shield thus constituted by the steel or other material of said walls makes it possible to avoid disturbing the additive manufacturing, which can be particularly sensitive to temperature drifts.
  • the carcass 25 acts as a Faraday cage, allowing the electrical shielding outside of this ionization chamber, and the interference-free operation of the electron beam 20 of the gun 11. Ionisation by electron source
  • the ionization can be obtained thanks to an electron source 32 accelerated by a voltage supplied by the power supply 31.
  • This source of electrons 32 is for example a filament.
  • Other types of electron sources can be envisaged (cold emission or field emission, Schottky emission, etc.).
  • the electrons thus emitted are accelerated by the electric field which is established by the polarization of at least one electrically insulated wall with respect to the other surfaces of the ionization chamber 23.
  • the energetic electrons thus obtained by this acceleration ionize by electronic impact the charged vapor (atomic or in the form of aggregates) released from the molten surface and which passes through the ionization chamber 23 up through the opening 26. Once ionized, the vapor is deflected by the electric field E and captured as a deposit on the electrodes 28, 29.
  • the acceleration voltage is chosen so that a single ionization is possible, at most two, during the interaction with the vapor, before touching one of the walls of the ionization chamber.
  • the new electrons created by ionization of the vapor must be limited in number so as to avoid the creation of a plasma within the ionization chamber. Such a plasma could indeed disturb the EBM beam, for example, and more generally the operation of the apparatus.
  • the acceleration voltage is 10 to 100V.
  • the ionization can be obtained by photoionization (FIG. 4) by means of a photonic source 33.
  • the photoionization source 33 may be a lamp emitting at wavelengths corresponding to the Ultra-Violet range.
  • the transmission power of the source 33 is for example 50 to 100
  • the wavelength can be more specifically of the order of 250 nm, which corresponds to photons of about 5 eV energy.
  • the photon source is a lamp whose emission is very intense in the Ultra-Violet (UV) range of the spectrum.
  • the photons of a source of this type effectively excite the atoms that constitute the charged vapor, as well as the possible aggregates. If during the lifetime of an excited level a second photon is absorbed, then the absorbing particles are ionized. In addition, some metals and aggregates have ionization energies of 5 eV and lower and can be ionized by absorption of a single photon.
  • the source 33 is placed between at least two curved mirrors 34, 35 facing each other which together define an optical cavity.
  • the radii of curvature of these mirrors and their positioning are chosen so that the photons of the source 33 undergo multiple reflections and that they are concentrated in the zone of interest of the chamber 23.
  • mirrors 36 are further disposed facing two by two, along the walls of the carcass 25, in the length of the optical cavity defined between the two curved mirrors 34, 35. In this way, the photons are kept as long as possible in the optical cavity; the chances of photo-ionization are increased.
  • the electrodes 28, 29 of the chamber 23 can themselves also act as mirrors.
  • a heat shield 37 made of ceramic or refractory material may also be interposed between the various mirrors and the walls of the carcass 25.
  • the electrons emitted during the photoionization are accelerated towards the positive electrode (in this case the electrode 28 in the figure). In their path, these free electrons gain energy and if they interact with a vapor, additional ionization can also take place.
  • the new electrons created by photoionization or ionization of the vapor must nevertheless be limited in number so as to avoid the creation of a plasma inside the chamber 23.

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Abstract

L'invention concerne un appareil pour fabriquer un objet tridimensionnel par fabrication additive comportant dans une enceinte: - un support pour le dépôt des couches successives de poudre de fabrication additive, - un arrangement de distribution adapté pour appliquer une couche de poudre sur ledit plateau ou sur une couche précédemment consolidée, - au moins une source d'énergie adaptée à la consolidation sélective d'une couche de poudre appliquée par l'arrangement de distribution, caractérisé en ce qu'il comporte une chambre d'ionisation située au voisinage d'au moins un module et/ou composant optique/électronique à protéger des dépôts, sur le trajet de la vapeur chargée remontant vers ledit module et/ou composant dans l'enceinte.

Description

PERFECTIONNEMENTS D'UN APPAREIL DE FABRICATION PAR MÉTHODE
ADDITIVE SELECTIVE
La présente invention est relative à la fabrication additive sélective.
DOMAINE TECHNIQUE GÉNÉRAL ET ART ANTÉRIEUR
La fabrication additive sélective consiste à réaliser des objets tridimensionnels par consolidation de zones sélectionnées sur des strates successives de matériau pulvérulent (poudre métallique, poudre de céramique). Les zones consolidées correspondent à des sections successives de l'objet tridimensionnel. La consolidation se fait, couche par couche, par une fusion sélective totale ou partielle réalisée avec une source de consolidation. Cette source est classiquement une source de rayonnement (par exemple un faisceau laser de forte puissance) ou encore une source de faisceau de particules (par exemple un faisceau d'électrons - technologie dite EBM ou « Electron Beam Melting » selon la terminologie anglo-saxonne généralement utilisée dans le domaine).
Il a également récemment été proposé des machines hybrides dans lesquelles on utilise plusieurs sources d'énergie pour réaliser la fusion sélective. Par exemple, la source primaire est un canon à électrons, qui est utilisé pour réaliser la fusion sélective au niveau du cœur de l'objet. Il est complété par une source secondaire, qui est une source laser et qui est utilisée, couche après couche, pour réaliser la fusion sélective au niveau des zones de peau ou de bordure. De cette façon, il est possible d'obtenir un objet présentant des propriétés mécaniques ou métallographiques différentes au niveau par exemple de sa périphérie (bordure ou peau) et dans son volume (cœur). Un exemple en ce sens est décrit dans la demande de brevet WO2013/092997.
Dans les procédés de fabrication additive sélective, la vapeur, à l'état atomique ou sous forme d'amas d'atomes allant jusqu'à la poudre (également appelés « clusters »), est produite par la vaporisation de la surface sous l'effet du faisceau primaire (électrons ou laser) intense. Cette vapeur est essentiellement neutre, car le processus d'évaporation a lieu, en général, à l'équilibre thermodynamique.
Or, à la pression atmosphérique ou sous vide, la vapeur chargée ainsi constituée a une forte capacité à se déposer (condensation) sur tout matériau solide avec lequel cette vapeur rentre en contact, et en particulier sur tous les métaux mais également sur les matériaux diélectriques (céramiques, verre, plastique, etc.) ou semi-conducteurs (silicium, germanium, GaAs, etc.).
Les particules de cette vapeur se propagent donc vers les parois de manière balistique à basse pression ou diffusive jusqu'à la pression atmosphérique.
Les dépôts qui en résultent sont particulièrement néfastes.
Ils conduisent à la formation, sur les éléments optiques à l'intérieur des enceintes de fabrication (miroirs, lentilles, optiques de caméras, etc..) de couches minces qui sont opaques pour des longueurs d'ondes allant de l'ultraviolet à l'infrarouge, donc incluant le visible.
Plus généralement, ces dépôts encrassent tous les autres composants et ne sont pas souhaitables.
En outre, ces formations de dépôt sont d'autant plus importantes à basse pression car le libre parcours moyen des espèces est alors très grand, voir comparable avec les dimensions de l'enceinte de la machine.
Pour lutter contre les effets de ces dépôts, il est déjà connu de prévoir devant les optiques des caméras des films de protection déroulants et sacrificiels, qu'un opérateur peut avancer au fur et à mesure de leur encrassement.
Cette solution n'est pas pleinement satisfaisante.
D'un point de vue mécanique, elle est complexe à mettre en œuvre dans une enceinte de fabrication additive.
En outre, les films de protection placés devant les optiques empêchent d'obtenir des images optimisées. PRÉSENTATION GÉNÉRALE DE L'INVENTION
Un but général de l'invention est de pallier ces problématiques de dépôt.
Plus particulièrement, l'invention propose une solution permettant de limiter fortement les dépôts de vapeurs chargées dans les enceintes de fabrication additive sélective.
Elle propose en outre une solution permettant de protéger contre ces dépôts les optiques utilisées à l'intérieur des enceintes et plus généralement permettant de protéger toute autre surface sensible indépendamment de sa nature.
Également, l'invention propose une solution qui ne présente pas les inconvénients des solutions de l'art antérieur.
Notamment, selon un premier aspect, l'invention propose un appareil pour fabriquer un objet tridimensionnel par fabrication additive sélective comportant dans une enceinte :
- un support pour le dépôt des couches successives de poudre de fabrication additive,
un arrangement de distribution adapté pour appliquer une couche de poudre sur ledit support ou plateau ou sur une couche précédemment consolidée,
- au moins une source adaptée à la consolidation sélective d'une couche de poudre appliquée par l'arrangement de distribution, caractérisé en ce qu'il comporte une chambre d'ionisation située au voisinage d'au moins un module et/ou composant optique/électronique à protéger des dépôts, sur le trajet de la vapeur chargée remontant vers ledit module et/ou composant dans l'enceinte.
Un tel appareil trouve avantageusement application dans le cas où l'enceinte est une enceinte sous vide, mais s'applique également dans le cas où la fabrication est réalisée à pression atmosphérique ou à des pressions inférieures. L'appareil peut comprendre les caractéristiques suivantes, prises seules ou selon l'une quelconque de leurs combinaisons techniquement possibles :
il comporte un écran thermique qui présente une ouverture permettant le passage du rayonnement et/ou du faisceau d'électrons et qui s'étend de ladite ouverture vers le plateau support, autour de la zone du lit de poudre et en ce que la chambre d'ionisation est disposée au niveau de ladite ouverture,
- la chambre d'ionisation est intégrée dans une carcasse montée sur écran thermique,
ladite carcasse est montée de façon amovible sur ledit écran, la chambre d'ionisation comporte deux électrodes et une alimentation électrique qui polarise celles-ci afin de collecter les ions créés dans la chambre d'ionisation ou initialement présents dans la vapeur chargée, lorsque celle-ci remonte jusqu'à ladite chambre,
la source d'ionisation est une source d'électrons accélérés, les électrons de la source d'ionisation sont accélérés par une tension comprise entre 10 et 100 V,
la source d'ionisation est une source photonique, ladite source est une lampe UV,
- qu'un composant ou module optique/électronique est une lentille, une caméra, un capteur ou une source de rayonnement de type laser.
L'ionisation peut être réalisée par une source d'électrons ou par une source de photons.
PRÉSENTATION DES FIGURES D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description qui suit, laquelle est purement illustrative et non limitative, et doit être lue en regard des figures annexées sur lesquelles :
- la figure 1 est une représentation schématique d'un appareil de fabrication additive sélective conforme à un mode de réalisation possible de l'invention ;
- la figure 2 illustre de façon générale une configuration possible pour l'écran thermique et la chambre d'ionisation d'un appareil du type de celui de la figure 1 ;
- les figures 3 et 4 illustrent deux modes de réalisation possibles pour la chambre d'ionisation d'un appareil du type de celui de la figure 1.
DESCRIPTION D'UN OU PLUSIEURS MODES DE MISE EN ŒUVRE ET DE RÉALISATION
Généralités
L'appareil 1 de fabrication additive sélective de la figure 1 comprend :
- un support tel qu'un plateau, par exemple un plateau horizontal 3, sur lequel sont déposées successivement les différentes couches de poudre de fabrication additive (poudre métallique, poudre de céramique, etc.) permettant de fabriquer un objet tridimensionnel (objet 2 en forme de sapin sur la figure),
- un réservoir de poudre 7 situé au-dessus du plateau 3,
- un arrangement 4 pour la distribution de ladite poudre métallique sur le plateau, cet arrangement 4 comportant notamment une raclette 5 pour étaler les différentes couches successives de poudre (déplacement selon la double flèche A),
- un ensemble 8 de sources d'énergie pour la fusion (totale ou partielle) des couches fines étalées,
- une unité de contrôle 9 qui assure le pilotage des différents composant de l'appareil 1 en fonction d'informations pré-mémorisées (mémoire M), - un mécanisme 10 pour permettre de descendre le support du plateau 3 au fur et à mesure du dépôt des couches (déplacement selon la double flèche B).
Dans l'exemple décrit en référence à la figure 1, l'ensemble 8 comprend deux sources de consolidation :
- un canon à faisceau d'électrons 11 et
- une source 12 de type laser.
En variante, l'ensemble 8 peut ne comprendre qu'une source, par exemple une source d'énergie localisée sous vide ou à basse pression : canon à électrons, source laser, etc..
Un miroir galvanométrique 14 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.
Tout autre système de déviation peut bien entendu être envisagé. Des bobines 15 et 16 de déflection et de focalisation permettent de défléchir et de focaliser localement le faisceau d'électrons sur les zones de couches à fritter ou fusionner.
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 à l'intérieur de ladite enceinte 17 (typiquement environ 10"2 / 10"3 mbar, voire 10"4 / 10"6 mbar).
Les parois de l'enceinte 17 sont de préférence en acier et sont suffisamment épaisses 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.
L'appareil 1 peut en outre comprendre des moyens de mesure de la température, tels une caméra IR ou CCD qui sont aptes à communiquer à l'unité de contrôle 9 des informations concernant la température de la couche de poudre et permettent d'ajuster ainsi les paramètres de fonctionnement du canon à électrons 11 ou de la source 12 de type laser. Dans un exemple d'utilisation possible, le faisceau laser 19 en provenance de la source 12 consolide, couche par couche, la peau ou bordure extérieure de l'objet 2. Le faisceau d'électrons 20 généré par le canon 11 est quant à lui utilisé pour consolider la partie centrale intérieure de l'objet 2 (cœur).
La consolidation réalisée par le faisceau d'électrons 20 peut se faire couche par couche, en même temps que la consolidation en périphérie par le faisceau laser 19. Le déplacement rapide du faisceau d'électrons 20 permet en effet de balayer et consolider la partie centrale de la couche, tandis que le déplacement du faisceau laser, plus lent, s'effectue simultanément sur un trajet plus court, qui est celui du contour de ladite partie centrale. Un fonctionnement inverse peut également être envisagé (balayage du cœur par le faisceau d'électrons et d'une zone de périphérie par le faisceau laser).
En variante, la consolidation par le faisceau d'électrons 20 peut se faire sur plusieurs couches, après que chacune de ces couches aient été fusionnées en périphérie par le faisceau laser 19.
Le fonctionnement d'un tel appareil, ainsi que le dimensionnement et paramétrage de ses différents composants sont par exemple du type de ceux envisagés dans la demande WO2013/092997.
L'appareil 1 comporte en outre un écran thermique T.
Cet écran T est en un matériau destiné à absorber les radiations issues de l'impact des faisceaux d'électrons sur les couches de poudre.
À titre illustratif, il peut se présenter avec une forme parallélépipédique pourvue d'une ouverture dans la partie supérieure permettant le passage du faisceau primaire d'énergie (électrons, laser, etc.) et qui s'étend en s'évasant de ladite ouverture vers le plateau support.
Cette forme est par exemple une forme tronc-pyramidale ou tronconique constituée par l'assemblage de plusieurs plaques ou secteurs dans le matériau destiné à absorber les radiations, par exemple en acier.
Il peut être disposé au-dessus du plateau 2 et de la zone où les couches de poudre sont appliquées, avec un espace permettant le passage de la raclette 5. Chambre d'ionisation
En référence plus particulièrement à la figure 2, on a référencé par 21 sa base large située au-dessus du plan de dépôt du lit de poudre et par 22 sa petite base qui définit une ouverture 22 destinée à être traversée par la source d'énergie 19 de type laser et/ou par le faisceau d'électrons 20 lorsque ceux-ci sont envoyés sur le lit de poudre.
Une chambre d'ionisation 23 est disposée au niveau de ladite ouverture 22, à la partie supérieure de l'écran thermique T.
Cette chambre 23 est définie par les parois intérieures d'une carcasse
25.
Elle débouche par une ouverture 26 à l'intérieur de l'écran thermique
T, et par une ouverture 27 à l'extérieur de celui-ci.
Ces ouvertures 26, 27 sont en regard l'une de l'autre.
Les parois de ladite chambre 23 et lesdites ouvertures 26, 27 sont orientées pour permettre un trajet direct (optique, laser, etc.), à travers ladite chambre 23 et lesdites ouvertures 26, 27, entre un élément 24 à protéger (fenêtre optique transparente, capteur semi-conducteur, etc.) situé en regard de l'ouverture 27 (par exemple un élément qui s'étend en étant sensiblement normal à l'axe de l'ouverture 27), à l'extérieur de l'écran thermique, et un lit de poudre sur le plateau 3.
Différents composants ou modules optiques/électroniques peuvent être disposés au niveau de cette fenêtre optique 24.
Ce peut être le cas du laser 12 et/ou du miroir 14, ou encore d'une caméra, le cas échéant associé à des lentilles optiques, permettant d'observer le plateau 3 et le déroulement de la fabrication additive.
Par ailleurs, comme l'illustrent les figures 3 et 4, la chambre d'ionisation 23 comporte au moins deux électrodes intérieures 28, 29 et une alimentation électrique 31 qui polarise lesdites électrodes.
Le champ électrique E créé entre ces électrodes 28, 29 permet de collecter les ions produits dans la vapeur chargée qui remonte jusqu'à la chambre d'ionisation 23. Lorsque de la vapeur chargée libérée de la surface lors d'une opération de fusion remonte jusqu'à la chambre d'ionisation 23, cette vapeur est ionisée dans ladite chambre.
Le champ électrique E agit sur les ions de vapeur chargée (ions monoatomiques, agrégats, qu'ils soient créés par cette ionisation ou initialement présents) avec une force de type électrostatique (F = qE) perpendiculaire aux électrodes. Cette force induit la déflexion de la vapeur ionisée par rapport à sa trajectoire initiale d'éjection. La vapeur ionisée est alors majoritairement interceptée par les électrodes 28 et 29 : les ions positifs sont guidés par le champ E vers l'électrode ayant le potentiel le plus bas ('cathode') ; les ions négatifs, tout comme les électrons libres, sont guidés vers l'autre électrode ('anode').
Ce champ électrique E est continu ou variable dans le temps.
De nombreuses configurations sont envisageables pour l'alimentation électrique 31 : celle-ci peut être une pile, une source de tension ou courant continue, une alimentation basse ou haute fréquence, ou encore une alimentation bipolaire, multipolaire ou impulsionnelle.
De cette façon, les optiques et composants (lentilles, caméras, lasers, etc.) placés en regard de l'ouverture extérieure 27 (au niveau de la fenêtre 24) sont protégés et préservés de dépôts importants.
La carcasse 25 peut être montée directement sur l'écran thermique T. Elle peut être montée amovible sur celui-ci ou en être solidarisée de façon non amovible.
La carcasse 25 peut servir de référence de potentiel pour la source 31. Elle peut être reliée à la masse ou gardée flottante. Ces parois sont électriquement isolées des électrodes 28 et 29 par des diélectriques 30. Elles jouent également un rôle d'écran thermique par rapport à la chaleur supplémentaire qui peut être dégagée dans la chambre d'ionisation elle- même. L'écran thermique ainsi constitué par l'acier ou autre matériau desdites parois permet d'éviter de perturber la fabrication additive, laquelle peut être particulièrement sensible à des dérives en température. La carcasse 25 joue le rôle de cage de Faraday, permettant l'écrantage électrique à l'extérieur de cette chambre d'ionisation, et le fonctionnement sans perturbations du faisceau d'électrons 20 du canon 11. Ionisation par source d'électrons
Comme l'illustre la figure 3, l'ionisation peut être obtenue grâce à une source d'électrons 32 accélérée par une tension fournie par l'alimentation électrique 31.
Cette source d'électrons 32 est par exemple un filament. D'autres types de sources d'électrons peuvent être envisagés (émission froide ou émission de champ, émission Schottky, etc.).
Les électrons ainsi émis sont accélérés par le champ électrique qui s'établi par la polarisation d'au moins une paroi isolée électriquement par rapport aux autres surfaces de la chambre d'ionisation 23.
Les électrons énergétiques ainsi obtenus par cette accélération ionisent par impact électronique la vapeur chargée (atomique ou sous forme d'agrégats) libérée de la surface en fusion et qui traverse la chambre d'ionisation 23 en remontant à travers l'ouverture 26. Une fois ionisée, la vapeur est déviée par le champ électrique E et captée sous forme de dépôt sur les électrodes 28, 29.
Dans le cas d'agrégats de taille nanométrique ou supérieure, certains de ces électrons peuvent en outre être captés par ces agrégats sans forcément les ioniser, ce qui conduit à la création d'ions négatifs.
La tension d'accélération est choisie pour qu'une seule ionisation soit possible, au maximum deux, lors de l'interaction avec la vapeur, avant de toucher une des parois de la chambre d'ionisation.
Par ailleurs, plus la pression est réduite, plus le nombre d'interactions le sera aussi. En revanche, en augmentant la pression il sera nécessaire d'augmenter également la polarisation, de façon à ce que l'énergie transmise aux électrons par le champ électrique sur un parcours moyen de vol libre entre deux interactions successives reste sensiblement la même.
Les nouveaux électrons créés par ionisation de la vapeur doivent être en nombre limité de façon à éviter la création d'un plasma à l'intérieur de la chambre d'ionisation. Un tel plasma pourrait en effet perturber le faisceau EBM, par exemple, et plus généralement le fonctionnement de l'appareil.
Typiquement, la tension d'accélération est de 10 à 100V. Ionisation par photo-ionisation
En variante, l'ionisation peut être obtenue par photo-ionisation (figure 4) au moyen d'une source photonique 33.
La source de photo-ionisation 33 peut être une lampe émettant à des longueurs d'onde correspondant à la gamme Ultra-Violet.
La puissance d'émission de la source 33 est par exemple de 50 à 100
W. La longueur d'onde peut être plus spécifiquement de l'ordre de 250 nm, ce qui correspond à des photons d'environ 5 eV d'énergie.
La source de photons est une lampe dont l'émission est très intense dans la gamme Ultra-Violet (UV) du spectre.
Les photons d'une source de ce type excitent efficacement les atomes qui constituent la vapeur chargée, ainsi que les éventuels agrégats. Si pendant le temps de vie d'un niveau excité un second photon est absorbé, alors les particules absorbantes sont ionisées. En outre, certains métaux et certains agrégats ont des énergies d'ionisation de 5 eV et inférieures et peuvent être ionisés par absorption d'un seul photon.
Afin de favoriser l'absorption de photons, on prévoit que la source 33 soit placée entre au moins deux miroirs courbes 34, 35 en regard qui définissent ensemble une cavité optique. Les rayons de courbure de ces miroirs et leurs positionnements sont choisis pour que les photons de la source 33 subissent des réflexions multiples et qu'ils soient concentrés dans la zone d'intérêt de la chambre 23.
D'autres paires de miroirs 36 sont en outre disposés en regard deux à deux, le long des parois de la carcasse 25, dans la longueur de la cavité optique définie entre les deux miroirs courbes 34, 35. De cette façon, les photons sont conservés le plus longtemps possible dans la cavité optique ; les chances de photo-ionisation s'en trouvent augmentées. Les électrodes 28, 29 de la chambre 23 peuvent elles-mêmes jouer également le rôle de miroirs. Un écran thermique 37 en matériau céramique ou réfractaire peut également être interposé entre les différents miroirs et les parois de la carcasse 25.
Les électrons émis lors de la photo-ionisation sont accélérés vers l'électrode positive (en l'occurrence l'électrode 28 sur la figure). Dans leur chemin, ces électrons libres gagnent de l'énergie et s'ils interagissent avec une vapeur, une ionisation supplémentaire peut également avoir lieu.
Les nouveaux électrons créés par photo-ionisation ou par ionisation de la vapeur doivent néanmoins être en nombre limité de façon à éviter la création d'un plasma à l'intérieur de la chambre 23.

Claims

REVENDICATIONS
Appareil pour fabriquer un objet tridimensionnel par fabrication additive comportant dans une enceinte :
- un support pour le dépôt des couches successives de poudre de fabrication additive,
un arrangement de distribution adapté pour appliquer une couche de poudre sur ledit support ou sur une couche précédemment consolidée,
- au moins une source d'énergie adaptée à la consolidation sélective d'une couche de poudre appliquée par l'arrangement de distribution,
caractérisé en ce qu'il comporte une chambre d'ionisation située au voisinage d'au moins un module et/ou composant optique/électronique à protéger des dépôts, sur le trajet de la vapeur chargée remontant vers ledit module et/ou composant dans l'enceinte.
Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un écran thermique qui présente une ouverture permettant le passage du rayonnement et/ou du faisceau d'électrons et qui s'étend de ladite ouverture vers le plateau support, autour de la zone du lit de poudre et en ce que la chambre d'ionisation est disposée au niveau de ladite ouverture.
Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que la chambre d'ionisation est intégrée dans une carcasse montée sur écran thermique.
Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite carcasse est montée de façon amovible sur ledit écran.
5. Appareil selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la chambre d'ionisation comporte deux électrodes et une alimentation électrique qui polarise celles-ci afin de collecter les ions créés dans la chambre d'ionisation ou initialement présents dans la vapeur chargée, lorsque celle-ci remonte jusqu'à ladite chambre.
6. Appareil selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la source d'ionisation est une source d'électrons accélérés.
7. Appareil selon la revendication 6, caractérisé en ce que les électrons de la source d'ionisation sont accélérés par une tension comprise entre 10 et 100 V.
8. Appareil selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la source d'ionisation est une source photonique.
9. Appareil selon la revendication 8, caractérisé en ce que ladite source est une lampe UV.
10. Appareil selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un composant ou module optique/électronique est une lentille, une caméra, un capteur ou une source de rayonnement de type laser.
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