WO2020002805A1 - Dispositif et procede de fabrication directe par fusion laser de poudre projetee - Google Patents

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nozzle
laser beam
laser
sprayed
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Damien COURAPIED
Guillaume MARION
Elise FERREIRA
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Safran
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Definitions

  • the present invention relates to a device and a method for direct manufacturing by laser fusion of sprayed powder.
  • LMD process A direct manufacturing process by laser also called LMD process (acronym of the English Laser Metallic Deposition) is an additive manufacturing process derived from cladding and laser reloading processes used until now for surface treatment or repair of parts metal.
  • LENS® Laser Engineered Net Shaping
  • the powder transported by an inert carrier gas (such as Argon, Helium, or Nitrogen), is injected into the metallic liquid bath formed in the substrate by the laser interaction. material.
  • the powder can then heat up, or even melt over its flight time, but the melting occurs mainly during contact with the metallic liquid bath.
  • the substrate can then be considered as a crucible supplied with metallic powder, and the heights of the unitary layers formed depend on the parameters of the process.
  • the nozzle advance speed, the laser power and the mass flow rate of the injected powder there is the nozzle advance speed, the laser power and the mass flow rate of the injected powder. If the first two are relatively robust and repeatable due to the architecture of the machine, the powder flow is potentially more exposed to variations between setpoint and actual value. In fact, the powder flow rate is controlled by the speed of rotation of a powder distribution plate as well as by the flow rate of the gases carrying the powder.
  • the cables for transporting the powder between the reservoir and the device being long (several meters), there is certainly a difference and instabilities in the real value of the powder flow rate at the outlet of the nozzle. Before you can control the stability of a powder flow, you must be able to adjust it. The ideal is that the flow value remains in an interval (stability) around a setpoint (adjustment).
  • the present invention makes it possible to meet this need at least in part, in a simple, efficient and economical manner.
  • the invention relates to a device for the direct production by laser fusion of sprayed powder, comprising: - a metal powder spray nozzle,
  • At least a first laser emitter configured to emit a first laser beam at a predetermined wavelength l1 and at a predetermined power, so as to melt said sprayed powder
  • At least one second laser emitter configured to emit a second laser beam at a wavelength l2 through the sprayed powder, at the outlet of said nozzle, the wavelengths l1 and l2 being different
  • At least one receiver configured to receive said second laser beam, after it has passed through the sprayed powder
  • the invention can make it possible to precisely measure the flow rate of powder sprayed by laser detection.
  • a laser beam different from that used for melting the projected powder, is thus used to measure the flow rate of this powder.
  • the measurement laser beam or second laser beam in particular has a wavelength different from that of the first laser beam used to cause the powder to melt.
  • the device according to the invention may include one or more of the following characteristics, taken in isolation from one another, or in combination with one another:
  • said second laser beam is oriented in a direction substantially perpendicular to the direction of said first laser beam
  • the device further comprises a guide for the second laser beam, which is mounted on said nozzle and which is configured to guide the second laser beam from said second transmitter to said receiver;
  • this guide has the advantage of being compact and therefore takes up little space, said guide comprises a first portion extending from said second emitter to a powder outlet from the nozzle, and a second portion extending from the powder outlet from the nozzle to said receiver,
  • the outlet of said nozzle is located in a first plane perpendicular to said first beam, said second transmitter and said receiver being located in a second plane which is parallel and at a distance from said first plane,
  • - Said nozzle has a conical or frustoconical shape, one end of smaller diameter forms the powder outlet, said first and second portions of the guide being positioned so as to define between them a space for passage of the projected powder which is located at from said smaller diameter end,
  • said nozzle comprises several coaxial cones mounted one inside the other and defining between them an internal annular passage for ejecting a flow of protective gas around said first beam, and an external annular passage for projecting said powder,
  • the wavelength l1 is greater than or equal to 1000 nm
  • the wavelength l2 is less than or equal to 1000 nm.
  • the present invention also relates to a direct manufacturing process by laser fusion of sprayed powder, by means of a device as described above, in which it comprises the production of a part by additive manufacturing on a support and the determination of the powder flow rate sprayed by the nozzle simultaneously with manufacture or after manufacture.
  • the manufactured part is a part of an aircraft engine.
  • FIG. 1 is a schematic view in axial section of an embodiment of the device according to the invention of direct manufacturing by laser fusion of sprayed powder
  • FIG. 2 is a schematic view in axial section of an alternative embodiment of the device according to the invention.
  • FIGS. 3 to 5 are graphs illustrating the evolution of a measured flow rate of powder projected by a nozzle of a manufacturing device, as a function of a rotation instruction of a rotary powder distribution plate,
  • FIG. 6 includes schematic side views of a nozzle of a manufacturing device and illustrate the defocusing caused by a loss of distance between the nozzle and the manufacturing support, which would be induced by a variation in the size of the beads caused by instability of the projected powder flow,
  • FIGS. 7 and 8 are graphs illustrating the evolution of the height of a bead as a function of the projected powder flow rate
  • FIG. 9 is a very schematic view of an installation for measuring and recording the flow rate of powder projected by continuous weighing of this powder.
  • FIG. 10 is a graph representing the evolution of the projected powder flow measured as a function of time by means of the installation of Figure 9.
  • FIG. 1 represents a device 10 for direct manufacturing by laser fusion of sprayed powder according to an embodiment of the invention.
  • the device 10 is designed to produce a part by additive manufacturing on a support 12 such as a horizontal plate.
  • the device 10 is generally movable relative to the support 12 and carried for example by a robotic arm.
  • the device 10 is connected to a metal powder reserve and to a metal powder distributor, a source of protective inert gas, and at least one source of energy, in particular electrical energy.
  • the powder distributor is generally in the form of a rotary plate or a vibrating chute and is associated with a source of supply of gas carrying the powder.
  • the metal powder and the support 12 can be made of two different materials or else identical.
  • the device 10 comprises a nozzle 14 for projecting the metal powder and at least a first laser emitter 16 which configured to emit a first laser beam 18 through the nozzle 14.
  • the powder is transported by the carrier gas and is projected in the form of a powder stream.
  • the laser beam 18 can be routed to the nozzle by an optical path defined by an optical fiber 20 and lenses, for example collimation 22 and focusing 24.
  • the beam 18 is intended to pass through an internal axial bore 26 of the nozzle 14 and to be directed towards the support 12 on which the powder is sprayed.
  • the laser beam 18 is emitted at a predetermined wavelength l1 and at a predetermined power so as to melt the sprayed powder.
  • l1 is for example of the order of 1064nm.
  • the beam 18 is for example a YAG beam with a power of 2 kW.
  • the nozzle 14 has a generally conical or frustoconical shape, one end of smaller diameter forms the outlet 28 of powder.
  • the nozzle 14 comprises several cones 14a, 14b, 14c coaxial, here three in number, which are mounted one inside the other.
  • the internal cone 14a defines with the intermediate cone 14b which surrounds it an internal annular passage 30 for ejecting a flow of protective gas around the first beam 18.
  • the passage 30 is therefore connected to means for conveying protective gas from the aforementioned reservation.
  • the intermediate cone 14b defines with the external cone 14c which surrounds it an external annular passage 32 for ejecting a flow of powder.
  • the passage 32 is therefore connected to means for conveying powder from the aforementioned reserve.
  • the device 10 further comprises:
  • At least one second laser emitter 34 configured to emit a second laser beam 36
  • At least one receiver 38 configured to receive this second laser beam 36, after it has passed through the sprayed powder
  • means 40 for comparing the intensity of the second laser beam received by said receiver and of the intensity of the second laser beam emitted by said second transmitter, and of determining the flow rate of powder projected by the nozzle 14.
  • the second transmitter 34 and the receiver 38 are for example photodiodes.
  • the emitter 34 is preferably configured to generate a laser beam 36 of sufficient power and constant over time.
  • the wavelength 12 of the beam 34 must be different from that of the beam 18.
  • the wavelength 12 is preferably also different from the wavelength 13 of the main emission of the molten liquid bath 41. Indeed, the radiation caused by the melting of the powder on the support must not impact the measurement of the powder flow rate and must therefore emit at a wavelength l3 different from l2.
  • the receiver 38 is adapted to the transmitter 34 and vice versa.
  • the power of the emitter 34 should be sufficient to ensure a good signal / noise ratio at the level of the receiver 38 while remaining low enough not to overheat the powder.
  • the receiver 38 has the function of capturing the beam 36 after crossing the powder flow. When the latter passes, part of the light intensity will be reflected and absorbed by the powder and will therefore not be transmitted to the receiver. The idea is therefore to quantify this intensity difference (voltage difference at the photodiode for example) and to correlate it to the quantity of powder which has obscured the beam. The correlation between the voltage difference and the powder flow can be made only once during a preliminary calibration step. Once the voltage / flow relationship has been established, measuring the photodiode voltage will suffice to measure the flow leaving the nozzle. The response time of the photodiode is an important element.
  • the measurement of the voltage across the photodiode should preferably be greater than one hundred Hertz preferably.
  • the transmitter 34 and the receiver 38 are at a distance from the outlet 28 of the nozzle 14.
  • the nozzle outlet is preferably located in a first plane P1 perpendicular to the first beam 18, and the emitter 34 and the receiver 38 are located in a second plane P2 which is parallel and at a distance from the plane P1.
  • the device 10 further comprises a guide 42 for the beam 36.
  • the guide 42 is here mounted on the nozzle 14 and is configured to guide the beam 36 from the emitter 34 to the receiver 38.
  • it has a generally frustoconical shape and is fitted in an adjusted manner on the nozzle 14. It comprises a first portion 42a extending from the emitter 34 to the powder outlet 28 of the nozzle 14, and a second portion 42b extending from this powder outlet to the receiver 38.
  • the guide 42 includes an internal reflecting surface for the beam 38 which is intended to propagate by reflection in the guide.
  • the portions 42a, 42b define between them a space 44 for passage of the sprayed powder, this space 44 being located at the end of the smallest diameter of the nozzle and therefore of the powder outlet 28.
  • the space is designed to allow the beam 18, the protective gas flow and the powder flow to pass.
  • the guide 42 is preferably rigidly connected to the nozzle so that it cannot move relative to it during operation, which could affect the accuracy of the measurements.
  • the device 10 can also comprise means for cooling the nozzle 14 as well as the guide 42 which can heat up due to the proximity to the molten bath 41 and the reflection of the laser 36.
  • a block 46 of material transparent to the beam 38 can be mounted inside each guide portion 42a, 42b, at the level of the space 44, so as to prevent powder from entering guide 42 during operation and disturbing the measurement of the flow rate.
  • the emitter 34 is intended to emit a beam 36 with constant power. This results in a constant supply voltage over the time of the transmitter, as schematically represented by the graph G1.
  • the voltage measured at the terminals of the receiver 38 is always constant but is lower due to the light loss by absorption and reflection of the powder, as schematically represented by the graph G2 .
  • a calibration step may be necessary and will be presented in the following.
  • the powder flow rate is one of the most influential parameters of the additive manufacturing process.
  • the only accessible parameters are those of the powder distributor with a rotating plate or vibrating chute, the model of which can vary from one machine to another and from one manufacturer to another.
  • the inventors have built a response curve between the distributor parameters and the flow actually obtained.
  • the graph in Figure 3 represents all of the point flow measurements taken over several months with a powder based on Inconel 718.
  • the target was to reach 6g / min, the error on the flow rate observed was more or minus 15%.
  • the graph in FIG. 4 represents all of the point flow measurements carried out over several months with a powder based on TA6V.
  • the target was to reach 3g / min, the error on the noted flow was plus or minus 15%.
  • the graph in FIG. 5 represents all of the point flow measurements carried out over several months with a powder based on Inconel 738.
  • the target was to reach 2.5 g / min, the error on the flow rate observed was more or less 15%.
  • This variation in flow rate causes a dimensional modification of the beads of material deposited and thus participates in the creation of metallurgical defects of the porosity type or lack of fusion in the parts constructed.
  • the question is to know which variation of the flow causes a variation in height of bead Hx which, cumulated on 50 layers, causes a loss of distance nozzle-piece WDx greater than the tolerance of + or - 0.5mm, it is that is, what variation in flow results in a variation in bead height of 0.01 mm.
  • NextStep software developed by Safran Tech, to estimate the dimensions of the cords from the Power, Speed and Flow input parameters. This software allows you to build a meta model using multiple logarithmic regressions between input and output data. In this case, the learning phase of the meta model was carried out on the experimental measurements of the dimensions of 180 beads. The validity of the results was demonstrated by constructing 50 cords with input parameters that were not in the initial experimental design and by comparing the predetermined and measured cord dimensions.
  • FIG. 7 shows the evolution of the bead height as a function of the powder flow rate for recommended parameters for the Inconel 718 (350W 2000mm / min 6g / min). In order not to exceed a variation in height of ⁇ 10pm per cord, the flow rate must not vary by more than ⁇ 0.2g / min ( ⁇ 3.3%).
  • FIG. 8 represents the evolution of the bead height as a function of the powder flow rate for an Inconel 738 powder (P200; V400; D2,5). For do not exceed a variation in height of ⁇ 10pm per cord, the flow rate must not vary more than ⁇ 0.1 g / min (i.e. ⁇ 2%).
  • the device according to the invention is calibrated beforehand by a method of continuous measurement and recording of the mass of powder flowing through the nozzle 14 making it possible to access a flow rate value and to associate it with a value Of voltage.
  • the nozzle 14 is positioned above a container 52 itself positioned on a scale 54 allowing the continuous measurement of the mass of sprayed powder.
  • the scale 54 can be a KERN® scale connected by an RS232 serial transmission port to a Raspberry Pi® computer. The latter receives and stores the instantaneous mass value measured by the balance at a frequency of approximately 3Hz.
  • a computer processes the signal to calculate the powder flow and its variation over time.
  • the Raspberry Pi® computer is equipped with a Wi-Fi connection and is configured to behave like a Wi-Fi access point from the start.
  • a WiFi network appears in the list of available networks of surrounding computers, which allows them to connect directly to it in order to retrieve the recording files and the generated curves.
  • the balance 52 and the recording device operate by battery and can therefore be integrated directly into any machine without any modification or connection, which is advantageous.
  • the system can be used in an inert environment which makes it compatible with machines with an inerting option.
  • the computer is programmed to detect the ignition of the balance 54 and generate a new file each time it is switched on, which makes it possible to efficiently carry out and separate different measurements.
  • the name of the file for the current measurement is displayed on a small LCD screen.
  • WiFi and batteries make it possible to carry out all of the measurements with the door closed and therefore to completely eliminate the risks linked to the use of powder (carcinogenic, flammable and explosive) for operators and the machine during the measurement.
  • the calibration of the device can consist in recording the signal voltage before and after powder projection, for several different flow rates, and in determining the mathematical law of the aforementioned type which governs the relationship between the voltage of the measured signal and the flow rate of projected powder. .
  • FIG. 10 illustrates the evolution of the powder flow as a function of time. It is found that it is substantially constant over time because it respects the required stability of + 1-2% mentioned in the above.
  • the device could be connected to a power source in the machine and remain there permanently as a means of calibration integrated into the machine,
  • the device could receive a signal from the machine in order to synchronize with a calibration program and / or automatically start a measurement on request from the machine,
  • the device could send information directly to the machine to enable it to correct the flow setpoint of automatically compensate for the deviation from the measured value, the setting would therefore no longer require human intervention.
  • the device according to the invention can in particular make it possible to control the stability of the flow rate of sprayed powder by having access to its variation over time.
  • a variant of the flow is characterized by a variation of the detected signal.
  • the calibration of the device allows adjustment of this flow rate and in particular to have access to the values of the projected powder flow rate.

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Abstract

Dispositif (10) de fabrication directe par fusion laser de poudre projetée, comprenant : - une buse (14) de projection d'une poudre métallique, - au moins un premier émetteur laser (16) configuré pour émettre un premier faisceau laser (18) à une longueur d'onde λ1 prédéterminée et à une puissance prédéterminée, de façon à faire fondre ladite poudre projetée, caractérisé en ce qu'il comprend en outre : - au moins un second émetteur laser (34) configuré pour émettre un second faisceau laser (36) à une longueur d'onde λ2 à travers la poudre projetée, en sortie de ladite buse, les longueurs d'onde λ1 et λ2 étant différentes, - au moins un récepteur (38) configuré pour recevoir ledit second faisceau laser, après sa traversée de la poudre projetée, et - des moyens (40) de comparaison de l'intensité lumineuse du second faisceau laser reçu par ledit récepteur et de l'intensité lumineuse du second faisceau laser émis par ledit second émetteur, et de détermination du débit de poudre projetée par la buse.

Description

DISPOSITIF ET PROCEDE DE FABRICATION DIRECTE PAR FUSION LASER DE POUDRE PROJETEE
Domaine de l’invention
La présente invention concerne un dispositif et un procédé de fabrication directe par fusion laser de poudre projetée.
Etat de la technique
Il est de plus en plus courant de réaliser des pièces par fabrication additive et c’est notamment le cas dans le domaine aéronautique.
Plusieurs technologies de fabrication additive existent et dépendent notamment du matériau de la pièce à réaliser, par exemple métallique ou plastique.
Un procédé de fabrication directe par laser aussi appelé procédé LMD (acronyme de l’anglais Laser Metallic Déposition) est un procédé de fabrication additive dérivé des procédés de cladding et de rechargement laser utilisés jusqu’alors pour le traitement de surface ou la réparation des pièces métalliques. L’idée de l’emploi de ce procédé en tant que procédé de fabrication est apparue à la fin du vingtième siècle avec notamment le développement du Laser Engineered Net Shaping (LENS®) par le laboratoire national américain Sandia. Sa première utilisation industrielle fut la fabrication de composants d’armes nucléaires de très faible volume (Morville, 2012). Ce procédé repose sur l’utilisation combinée d’un laser de puissance et d’une buse de projection de poudre coaxiale ou à injection latérale (Peyre, 2014). Concrètement, la poudre, transportée par un gaz porteur inerte (tel que de l’Argon, de l’Hélium, ou de l’Azote), est injectée dans le bain liquide métallique formé dans le substrat par l’interaction laser- matière. La poudre peut alors s’échauffer, voire fondre sur son temps de vol, mais la fusion intervient surtout lors du contact avec le bain liquide métallique. Le substrat peut alors être considéré comme un creuset alimenté en poudre métallique, et les hauteurs des couches unitaires formées dépendent des paramètres du procédé.
Parmi les paramètres ajustables du procédé LMD, il y a la vitesse d’avance de la buse, la puissance laser et le débit massique de la poudre injectée. Si les deux premiers sont relativement robustes et répétables de par l’architecture de la machine, le débit de poudre est potentiellement plus exposé à des variations entre consigne et valeur réelle. En effet, le débit de poudre est piloté par la vitesse de rotation d’un plateau de distribution de poudre ainsi que par le débit des gaz porteurs de la poudre. Les câbles de transport de la poudre entre le réservoir et le dispositif étant longs (plusieurs mètres), il y a certainement un écart et des instabilités dans la valeur réelle de débit de poudre en sortie de la buse. Avant de pouvoir contrôler la stabilité d’un débit de poudre, il faut pouvoir le régler. L’idéal est que la valeur du débit reste dans un intervalle (stabilité) autour d’une consigne (réglage).
Pour ces raisons, il est nécessaire de calibrer le débit de poudre régulièrement et de s’assurer de sa stabilité sur la durée de construction. Le tout de manière reproductible et répétable.
La présente invention permet de répondre au moins en partie à ce besoin, de façon simple, efficace et économique.
Exposé de l’invention
L’invention concerne un dispositif de fabrication directe par fusion laser de poudre projetée, comprenant : - une buse de projection d’une poudre métallique,
- au moins un premier émetteur laser configuré pour émettre un premier faisceau laser à une longueur d’onde l1 prédéterminée et à une puissance prédéterminée, de façon à faire fondre ladite poudre projetée,
caractérisé en ce qu’il comprend en outre :
- au moins un second émetteur laser configuré pour émettre un second faisceau laser à une longueur d’onde l2 à travers la poudre projetée, en sortie de ladite buse, les longueurs d’onde l1 et l2 étant différentes,
- au moins un récepteur configuré pour recevoir ledit second faisceau laser, après sa traversée de la poudre projetée, et
- des moyens de comparaison de l’intensité lumineuse du second faisceau laser reçu par ledit récepteur et de l’intensité lumineuse du second faisceau laser émis par ledit second émetteur, et de détermination du débit de poudre projetée par la buse.
L’invention peut permettre de mesurer précisément le débit de poudre projetée par détection laser. Un faisceau laser, différent de celui utilisé pour la fusion de la poudre projetée, est ainsi utilisé pour mesurer le débit de cette poudre. Le faisceau laser de mesure ou second faisceau laser a en particulier une longueur d’onde différente de celle du premier faisceau laser utilisé pour provoquer la fusion de la poudre.
Le dispositif selon l’invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément les unes des autres, ou en combinaison les unes avec les autres :
- ledit second faisceau laser est orienté dans une direction sensiblement perpendiculaire à la direction dudit premier faisceau laser,
- le dispositif comprend en outre un guide pour le second faisceau laser, qui est monté sur ladite buse et qui est configuré pour guider le second faisceau laser depuis ledit second émetteur jusqu’audit récepteur ; ce guide a l’avantage d’être compact est donc peu encombrant, - ledit guide comprend une première portion s’étendant depuis ledit second émetteur jusqu’à une sortie de poudre de la buse, et une seconde portion s’étendant depuis la sortie de poudre de la buse jusqu’audit récepteur,
- la sortie de ladite buse est située dans un premier plan perpendiculaire audit premier faisceau, ledit second émetteur et ledit récepteur étant situés dans un second plan qui est parallèle et à distance dudit premier plan,
- ladite buse a une forme conique ou tronconique dont une extrémité de plus petit diamètre forme la sortie de poudre, lesdites première et seconde portions du guide étant positionnées de façon à définir entre eux un espace de passage de la poudre projetée qui est situé au niveau de ladite extrémité de plus petit diamètre,
- au moins un bloc de matériau transparent audit second faisceau est monté au niveau dudit espace pour empêcher l’introduction de poudre dans ledit guide,
- ladite buse comprend plusieurs cônes coaxiaux montés les uns à l’intérieur des autres et définissant entre eux un passage annulaire interne d’éjection d’un flux de gaz protecteur autour dudit premier faisceau, et un passage annulaire externe de projection de ladite poudre,
- la longueur d’onde l1 est supérieure ou égale à 1000 nm, et
- la longueur d’onde l2 est inférieure ou égale à 1000 nm.
La présente invention concerne également un procédé de fabrication directe par fusion laser de poudre projetée, au moyen d’un dispositif tel que décrit ci-dessus, dans lequel il comprend la fabrication d’une pièce par fabrication additive sur un support et la détermination du débit de poudre projetée par la buse simultanément à la fabrication ou postérieurement à la fabrication.
Avantageusement, la pièce fabriquée est une pièce d’un moteur d’aéronef.
Brève description des figures D’autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui suit d’un mode de réalisation non limitatif de l’invention en référence aux dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 est une vue schématique en coupe axiale d’un mode de réalisation du dispositif selon l’invention de fabrication directe par fusion laser de poudre projetée,
- la figure 2 est une vue schématique en coupe axiale d’une variante de réalisation du dispositif selon l’invention,
- les figures 3 à 5 sont des graphes illustrant l’évolution d’un débit mesuré de poudre projetée par une buse d’un dispositif de fabrication, en fonction d’une consigne de rotation d’un plateau rotatif de distribution de la poudre,
- la figure 6 comprend des vues schématiques de côté d’une buse d’un dispositif de fabrication et illustrent la défocalisation occasionnée par une perte de distance entre la buse et le support de fabrication, qui serait induite par une variation de la dimension des cordons provoquée par une instabilité du débit de poudre projetée,
- les figures 7 et 8 sont des graphes illustrant l’évolution de la hauteur d’un cordon en fonction du débit de poudre projetée,
- la figure 9 est une vue très schématique d’une installation de mesure et d’enregistrement du débit de poudre projetée par pesée continue de cette poudre, et
- la figure 10 est un graphe représentation l’évolution du débit de poudre projetée mesuré en fonction du temps au moyen de l’installation de la figure 9.
Description détaillée d’un mode de réalisation de l’invention
La figure 1 représente un dispositif 10 de fabrication directe par fusion laser de poudre projetée selon un mode de réalisation de l’invention. Le dispositif 10 est conçu pour réaliser une pièce par fabrication additive sur un support 12 tel qu’un plateau horizontal. Le dispositif 10 est en général mobile par rapport au support 12 et porté par exemple par un bras robotisé. Le dispositif 10 est relié à une réserve de poudre métallique et à un distributeur de poudre métallique, une source de gaz inerte protecteur, et au moins une source d’énergie en particulier électrique. Le distributeur de poudre se présente en général sous la forme d’un plateau rotatif ou d’une goulotte vibrante et est associé à une source d’alimentation en gaz porteur de la poudre.
La poudre métallique et le support 12 peuvent être dans deux matériaux différents ou bien identiques.
Le dispositif 10 comprend une buse 14 de projection de la poudre métallique et au moins un premier émetteur laser 16 qui configuré pour émettre un premier faisceau laser 18 à travers la buse 14. La poudre est véhiculée par le gaz porteur et est projeté sous la forme d’un flux de poudre.
Le faisceau laser 18 peut être acheminé jusqu’à la buse par un chemin optique défini par une fibre optique 20 et des lentilles, par exemple de collimation 22 et de focalisation 24. Le faisceau 18 est destiné à traverser un alésage axial interne 26 de la buse 14 et à être dirigé vers le support 12 sur lequel la poudre est projetée.
Le faisceau laser 18 est émis à une longueur d’onde l1 prédéterminée et à une puissance prédéterminée de façon à faire fondre la poudre projetée. l1 est par exemple de l’ordre de 1064nm. Le faisceau 18 est par exemple un faisceau YAG d’une puissance de 2kW. Dans l’exemple représenté, la buse 14 a une forme générale conique ou tronconique dont une extrémité de plus petit diamètre forme la sortie 28 de poudre. La buse 14 comprend plusieurs cônes 14a, 14b, 14c coaxiaux, ici au nombre de trois, qui sont montés les uns à l’intérieur des autres.
Le cône interne 14a définit avec le cône intermédiaire 14b qui l’entoure un passage annulaire interne 30 d’éjection d’un flux de gaz protecteur autour du premier faisceau 18. Le passage 30 est donc relié à des moyens d’acheminement de gaz protecteur depuis la réserve précitée.
Le cône intermédiaire 14b définit avec le cône externe 14c qui l’entoure un passage annulaire externe 32 d’éjection d’un flux de poudre. Le passage 32 est donc relié à des moyens d’acheminement de poudre depuis la réserve précitée.
Ceci n’est toutefois pas limitatif. Il existe plusieurs modèles de buses, avec différents nombre de cônes, voir des jets « par point ». Le dispositif présenté ici fonctionne avec n’importe quel type de buse.
Selon l’invention, le dispositif 10 comprend en outre :
- au moins un second émetteur laser 34 configuré pour émettre un second faisceau laser 36,
- au moins un récepteur 38 configuré pour recevoir ce second faisceau laser 36, après sa traversée de la poudre projetée, et
- des moyens 40 de comparaison de l’intensité du second faisceau laser reçu par ledit récepteur et de l’intensité du second faisceau laser émis par ledit second émetteur, et de détermination du débit de poudre projetée par la buse 14.
Le second émetteur 34 et le récepteur 38 sont par exemple des photodiodes. L’émetteur 34 est de préférence configuré pour générer un faisceau laser 36 de puissance suffisante et constante dans le temps. La longueur d’onde l2 du faisceau 34 doit être différente de celle l1 du faisceau 18. La longueur d’onde l2 est de préférence en outre différente de la longueur d’onde l3 de l’émission principale du bain liquide 41 en fusion. En effet, le rayonnement provoqué par la fusion de la poudre sur le support ne doit pas impacté la mesure du débit de poudre et doit donc émettre à une longueur d’onde l3 différente de l2.
Le récepteur 38 est adapté à l’émetteur 34 et vice versa. La puissance de l’émetteur 34 devra être suffisante pour assurer un bon rapport signal/bruit au niveau du récepteur 38 tout en restant suffisamment faible pour ne pas échauffer excessivement la poudre.
Le récepteur 38 a pour fonction de capter le faisceau 36 après la traversée du flux de poudre. Au passage de ce dernier, une partie de l’intensité lumineuse sera réfléchie et absorbée par la poudre et ne sera donc pas transmise au récepteur. L’idée est donc de quantifier cet écart d’intensité (différence de tension au niveau de la photodiode par exemple) et de le corréler à la quantité de poudre qui a occulté le faisceau. La corrélation entre la différence de tension et le débit de poudre pourra être faîte une seule fois lors d’une étape préliminaire d’étalonnage. Une fois la relation tension/débit établie, la mesure de la tension de la photodiode suffira pour mesurer le débit sortant de la buse. Le temps de réponse de la photodiode est un élément important. En effet, pour assurer un suivi en « temps réel » du débit de poudre, la mesure de la tension aux bornes de la photodiode devra de préférence être supérieure à la centaine d’Hertz de préférence. Pour optimiser la réception du faisceau 36 et limiter les interactions entre les faisceaux 18, 36, il est préférable que l’émetteur 34 et le récepteur 38 soient à distance de la sortie 28 de la buse14. Dans le cas particulier représenté dans lequel le faisceau 36 est sensiblement perpendiculaire au faisceau 34, la sortie de buse est de préférence située dans un premier plan P1 perpendiculaire au premier faisceau 18, et l’émetteur 34 et le récepteur 38 sont situés dans un second plan P2 qui est parallèle et à distance du plan P1.
Pour assurer la transmission du faisceau 36 entre l’émetteur 34 et le récepteur 38 et à travers le flux de poudre, le dispositif 10 comprend en outre un guide 42 pour le faisceau 36.
Le guide 42 est ici monté sur la buse 14 et est configuré pour guider le faisceau 36 depuis l’émetteur 34 jusqu’au récepteur 38. Dans l’exemple représenté, il a une forme générale tronconique et est monté de manière ajustée sur la buse 14. Il comprend une première portion 42a s’étendant depuis l’émetteur 34 jusqu’à la sortie de poudre 28 de la buse 14, et une seconde portion 42b s’étendant depuis cette sortie de poudre jusqu’au récepteur 38.
Le guide 42 comprend une surface interne réfléchissante pour le faisceau 38 qui est destiné à se propager par réflexion dans le guide. Les portions 42a, 42b définissent entre elles un espace 44 de passage de la poudre projetée, cet espace 44 étant situé au niveau de l’extrémité de plus petit diamètre de la buse et donc de la sortie de poudre 28. Comme on le voit sur le dessin, l’espace est conçu pour laisser passer le faisceau 18, le flux de gaz protecteur et le flux de poudre.
Le guide 42 est de préférence relié de manière rigide à la buse de manière à ne pas pouvoir se déplacer par rapport à elle en fonctionnement, ce qui pourrait affecter la précision des mesures. Le dispositif 10 peut en outre comprendre des moyens de refroidissement de la buse 14 ainsi que du guide 42 qui peut s’échauffer du fait de la proximité avec le bain en fusion 41 et de la réflexion du laser 36.
Comme cela est visible dans la variante de réalisation de la figure 2, un bloc 46 en matériau transparent au faisceau 38 peut être monté à l’intérieur de chaque portion de guide 42a, 42b, au niveau de l’espace 44, de façon à éviter que de la poudre pénètre dans le guide 42 en fonctionnement et vienne perturber la mesure du débit.
Comme évoqué dans ce qui précède, l’émetteur 34 est destiné à émettre un faisceau 36 avec une puissance constante. Cela se traduit par une tension d’alimentation constante au cours du temps de l’émetteur, comme schématiquement représenté par le graphe G1. En sortie du guide 42, après la traversée du flux de poudre, la tension mesurée aux bornes du récepteur 38 est toujours constante mais est plus faible du fait de la perte lumineuse par absorption et réflexion de la poudre, comme schématiquement représenté par le graphe G2. La différence de tension AV permet de déterminer la valeur du débit de poudre projeté par une formule AV = f(Q) qui peut être linéaire ou polygonale par exemple. Une étape d’étalonnage peut s’avérer nécessaire et sera présentée dans ce qui suit.
Les graphes des figures 3 à 5 permettent de constater les difficultés rencontrées lors du réglage du débit de poudre d’un dispositif de fabrication de la technique antérieure.
Comme évoqué dans ce qui précède, le débit de poudre est un des paramètres les plus influents du procédé de fabrication additive. Les seuls paramètres accessibles sont ceux du distributeur de poudre à plateau rotatif ou à goulotte vibrante, dont le modèle peut varier d’une machine à l’autre et d’un constructeur à l’autre. Les inventeurs ont construit une courbe de réponse entre les paramètres du distributeur et le débit réellement obtenu.
Le graphe de la figure 3 représente l’intégralité des mesures ponctuelles de débit réalisées sur plusieurs mois avec une poudre à base d’Inconel 718. La cible était d’atteindre 6g/min, l’erreur sur le débit constaté était de plus ou moins 15%.
Le graphe de la figure 4 représente l’intégralité des mesures ponctuelles de débit réalisées sur plusieurs mois avec une poudre à base de TA6V. La cible était d’atteindre 3g/min, l’erreur sur le débit constaté était de plus ou moins 15%.
Le graphe de la figure 5 représente l’intégralité des mesures ponctuelles de débit réalisées sur plusieurs mois avec une poudre à base d’Inconel 738. La cible était d’atteindre 2.5g/min, l’erreur sur le débit constaté était de plus ou moins 15%.
Il apparaît clairement que le débit obtenu pour des mêmes variables d’entrées varie fortement d’un jour à l’autre.
Cette variation de débit provoque une modification dimensionnelle des cordons de matière déposée et ainsi participe à la création de défauts métallurgiques de type porosité ou manques de fusion dans les pièces construites.
Afin de savoir si ces variations sont problématiques ou non pour le procédé, les inventeurs ont réalisé un calcul théorique : on suppose que des paramètres de fabrication permettant la construction d’un mur de 50 couches (environ 10mm de haut) sans perte de distance buse-pièce WDX ont été définis et figés lors d’une étude matériaux. La distance buse-pièce WDX illustrée à la figure 6 doit de préférence rester comprise entre 3,3 et 3,7mm pour que la construction reste stable. Pour ce calcul nous prendrons une tolérance de + ou - 0,5mm.
Ainsi, la question est de savoir quelle variation du débit entraine une variation de hauteur de cordon Hx qui, cumulée sur 50 couches, entraine une perte de distance buse-pièce WDx supérieure à la tolérance de + ou - 0,5mm, c’est-à-dire quelle variation du débit entraîne une variation de hauteur de cordon de 0,01 mm.
Pour relier la variation de débit ADébit à la variation de hauteur Hx du cordon, les inventeurs ont utilisé le logiciel NextStep, développé par Safran Tech, pour estimer les dimensions des cordons à partir des paramètres d’entrées Puissance, Vitesse et Débit. Ce logiciel permet de construire un méta modèle à l’aide de régressions logarithmiques multiples entre données d’entrées et de sorties. Dans le cas présent, la phase d’apprentissage du méta modèle a été effectuée sur les mesures expérimentales des dimensions de 180 cordons. La validité des résultats a été démontrée en construisant 50 cordons avec des paramètres d’entrée qui n’étaient pas dans le plan d’expérience initial et en comparant les dimensions de cordons prédéterminées et mesurées.
La figure 7 représente l’évolution de la hauteur de cordon en fonction du débit de poudre pour des paramètres conseillés pour l’Inconel 718 (350W 2000mm/min 6g/min). Pour ne pas dépasser une variation de hauteur de ±10pm par cordon, le débit ne doit pas varier de plus de ± 0,2g/min (± 3,3%). La figure 8 représente l’évolution de la hauteur de cordon en fonction du débit de poudre pour une poudre d’Inconel 738 (P200 ; V400 ; D2,5). Pour ne pas dépasser une variation de hauteur de ±10pm par cordon, le débit ne doit pas varier + de ± 0,1 g/min (soit ± 2%).
D’autres courbes similaires ont été tracées pour le TA6V, le René77 et le René 142, la conclusion est que, quel que soit le débit cible, une stabilité du débit à + ou - 2% ne devrait pas être dépassée. Sur une construction massive construite par dépôt de cordons les uns à côté des autres, l’influence d’une variation de débit est observable expérimentalement. En effet, la variation dimensionnelle de cordon peut entraîner la formation de manques de fusion et donc de porosités linéaires (dont la plus grande dimension est deux fois supérieure à la plus petite). Ce type d’indication exclue directement la pièce des classes de santé matière définies par la PR7210 pour les pièces de fabrication additive. Ce type de défaut doit donc à tout prix être évité.
Ainsi, pour toutes les raisons exposées précédemment, il est nécessaire de calibrer le débit de poudre régulièrement et s’assurer de sa stabilité sur la durée d’une construction. Le tout de manière reproductible et répétable. Le dispositif selon l’invention est étalonné au préalable par une méthode de mesure et d’enregistrement continus de la masse de poudre s’écoulant à travers la buse 14 permettant d’accéder à une valeur de débit et à l’associer à une valeur de tension.
Comme illustré à la figure 9, pour réaliser cette mesure, la buse 14 est positionnée au-dessus d’un récipient 52 lui-même positionné sur une balance 54 permettant la mesure en continue de la masse de poudre projetée. La balance 54 peut être une balance KERN® reliée par un port de transmission série RS232 à un ordinateur Raspberry Pi®. Ce dernier reçoit et enregistre à une fréquence d’environ 3Hz la valeur instantanée de masse mesurée par la balance. En parallèle de cet enregistrement, un ordinateur traite le signal afin de calculer le débit de poudre et sa variation au court du temps.
L’ordinateur Raspberry Pi® est équipé d’une liaison Wifi et est configuré pour se comporter comme un point d’accès Wifi dès le démarrage. Ainsi, un réseau Wifi apparait dans la liste des réseaux disponibles des ordinateurs environnants, ce qui leur permet de se connecter directement dessus afin de récupérer les fichiers d’enregistrement et les courbes générées.
La balance 52 et le dispositif d’enregistrement fonctionnent par batterie et peuvent donc être intégrés directement à n’importe quelle machine sans aucune modification ou branchement, ce qui est avantageux. Le système peut être utilisé dans un environnement inerte ce qui le rend compatible avec des machines disposants d’une option d’inertage.
L’ordinateur est programmé pour détecter l’allumage de la balance 54 et générer un nouveau fichier à chaque allumage ce qui permet de réaliser et séparer efficacement différentes mesures. Le nom du fichier de la mesure en court est affiché sur un petit écran LCD.
La présence du Wifi et des batteries permet de faire l’intégralité des mesures porte fermée et donc de supprimer totalement les risques liés à l’utilisation de poudre (cancérigène, inflammable et explosive) pour les opérateurs et la machine lors de la mesure.
L’étalonnage du dispositif peut consister à enregistrer la tension du signal avant et après projection de poudre, pour plusieurs débits différents, et à déterminer la loi mathématique du type précité qui régit la relation entre la tension du signal mesuré et le débit de poudre projetée. La figure 10 illustre l’évolution du débit de poudre en fonction du temps. On constate qu’il est sensiblement constant au cours du temps car il respecte la stabilité requise de +1-2% évoquée dans ce qui précède.
Plusieurs variantes sont envisageables :
• l’ordinateur et la balance pourraient être rassemblés dans un seul appareil,
• le dispositif pourrait être relié à une source d’alimentation dans la machine et y rester à demeure comme moyen de calibration intégré à la machine,
• l’ordinateur pourrait être celui de la commande numérique de la machine afin d’intégrer totalement le dispositif à la machine ; cependant, la portabilité du système serait perdue,
• l’ordinateur pourrait être n’importe quel autre modèle d’ordinateur qu’un Raspberry pi,
• l’ordinateur pourrait être remplacé par un microcontrôleur,
• la balance pourrait être remplacée par un système présentant moins de latence,
• le Wifi pourrait être remplacé par un câble réseau de type ethernet et d’un passage de câble étanche dans la machine permettant de sécuriser la mesure ; cela nécessite cependant d’apporter une modification à la machine,
• un écran de plus grande dimension pourrait être intégré afin d’afficher en direct les valeurs de débit, la courbe de stabilité et un indicateur de conformité du réglage de la machine aux opérateurs sur la machine,
• le dispositif pourrait recevoir un signal de la part de la machine afin de se synchroniser avec un programme de calibration et/ou de lancer automatiquement une mesure sur demande de la machine,
• le dispositif pourrait envoyer directement une information à la machine afin de lui permettre de corriger la consigne de débit de compenser automatiquement l’écart avec la valeur mesurée, le réglage ne nécessiterait donc plus d’intervention humaine.
Le dispositif selon l’invention peut permettre notamment de contrôler la stabilité du débit de poudre projetée en ayant accès à sa variation au cours du temps. Une variante du débit se caractérise par une variation du signal détectée. L’étalonnage du dispositif permet un réglage de ce débit et en particulier d’avoir accès aux valeurs du débit de poudre projetée.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif (10) de fabrication directe par fusion laser de poudre projetée, comprenant :
- une buse (14) de projection d’une poudre métallique,
- au moins un premier émetteur laser (16) configuré pour émettre un premier faisceau laser (18) à une longueur d’onde l1 prédéterminée et à une puissance prédéterminée, de façon à faire fondre ladite poudre projetée,
caractérisé en ce qu’il comprend en outre :
- au moins un second émetteur laser (34) configuré pour émettre un second faisceau laser (36) à une longueur d’onde l2 à travers la poudre projetée, en sortie de ladite buse, les longueurs d’onde l1 et l2 étant différentes,
- au moins un récepteur (38) configuré pour recevoir ledit second faisceau laser, après sa traversée de la poudre projetée, et
- des moyens (40) de comparaison de l’intensité lumineuse du second faisceau laser reçu par ledit récepteur et de l’intensité lumineuse du second faisceau laser émis par ledit second émetteur, et de détermination du débit de poudre projetée par la buse.
2. Dispositif (10) selon la revendication précédente, dans lequel ledit second faisceau laser (36) est orienté dans une direction sensiblement perpendiculaire à la direction dudit premier faisceau laser (18).
3. Dispositif (10) selon la revendication 1 ou 2 dans lequel il comprend en outre un guide (42) pour le second faisceau laser (36), qui est monté sur ladite buse et qui est configuré pour guider le second faisceau laser depuis ledit second émetteur (34) jusqu’audit récepteur (38).
4. Dispositif (10) selon la revendication précédente, dans lequel ledit guide (42) comprend une première portion (42a) s’étendant depuis ledit second émetteur jusqu’à une sortie de poudre (28) de la buse (14), et une seconde portion (42b) s’étendant depuis la sortie de poudre de la buse jusqu’audit récepteur (38).
5. Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel la sortie (28) de ladite buse (14) est située dans un premier plan (P1 ) perpendiculaire audit premier faisceau (18), ledit second émetteur (34) et ledit récepteur (38) étant situés dans un second plan (P2) qui est parallèle et à distance dudit premier plan.
6. Dispositif (10) selon la revendication 4 ou 5, dans lequel ladite buse (14) a une forme conique ou tronconique dont une extrémité de plus petit diamètre forme la sortie de poudre (28), lesdites première et seconde portions (42a, 42b) du guide étant positionnées de façon à définir entre eux un espace (44) de passage de la poudre projetée qui est situé au niveau de ladite extrémité de plus petit diamètre.
7. Dispositif (10) selon la revendication 6, dans lequel au moins un bloc (46) de matériau transparent audit second faisceau (36) est monté au niveau dudit espace (44) pour empêcher l’introduction de poudre dans ledit guide (42).
8. Dispositif (10) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ladite buse (14) comprend plusieurs cônes (14a, 14b, 14c) coaxiaux montés les uns à l’intérieur des autres et définissant entre eux un passage annulaire interne (30) d’éjection d’un flux de gaz protecteur autour dudit premier faisceau (18), et un passage annulaire externe (32) de projection de ladite poudre.
9. Procédé de fabrication directe par fusion laser de poudre projetée, au moyen d’un dispositif (10) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel il comprend la fabrication d’une pièce par fabrication additive sur un support (12) et la détermination du débit de poudre projetée par la buse (14) simultanément à la fabrication ou postérieurement à la fabrication.
10. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel la pièce fabriquée est une pièce d’un moteur d’aéronef.
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