WO2020144442A1 - Method and device for treating powders for additive manufacturing - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to the field of manufacturing by adding material, or additive manufacturing, and in particular the manufacturing by adding metal powders.
- a method of manufacturing a part by adding metal powders is carried out by depositing successive layers of powders on a flat support surface, thus forming a powder bed.
- a power source selectively heats certain areas of the powder bed, so as to cause the powders to melt in the heated areas and thus form a coherent layer of room after cooling.
- the layers of powders are thus successively deposited and selectively solidified so as to form a part by successive layers.
- the power sources used to carry out the selective fusion of the powders may comprise one or more laser sources, or one or more sources with an electron or particle beam, or else a combination of sources using a laser, a beam of electrons or particles.
- the thermal and electrical conductivity and the reflection coefficient of the powders used limit the energy absorption rate of the powders.
- the reliefs induce multiple reflections thus increasing the probability of absorption of the photons even on very reflecting surfaces.
- the beam performs multiple reflections against the surfaces of the reliefs as illustrated in FIG. 1a and 1b, each reflection causing a transfer of energy from the beam to the part. It can also be trapped for a relief as shown in Figure le.
- the multiple reflections of the beam on a surface having a large roughness make it possible to increase the rate of energy absorption of the part.
- a first object of the invention is to optimize the energy absorption rate of metallic powders used during an additive manufacturing process.
- Another aim is to optimize the energy efficiency of a selective melting operation during an additive manufacturing process.
- Another object is to treat during the additive manufacturing process the surface of a metal powder so as to increase the roughness of said surface.
- Another aim is to overcome the drawbacks of the prior art surface treatment methods.
- the invention proposes a manufacturing process by adding material comprising the steps of:
- the method comprises, at the end of the deposition and prior to the selective melting, a step of surface treatment of the grains of powder carried out on site and comprising a step of surface attack during which an etching agent is sprayed onto the surface grains of powder, the etchant reacting chemically with the grains of powder and altering the surface of the grains of powder so that the surface of the grains of powder has a micrometric roughness.
- the etching agent alters the surface of the powder grains to produce a nanostructure on the surface thereof;
- the selective melting step is carried out by means of a power source comprising a laser source, the wavelength of said source and the roughness of the grains after surface treatment being adapted to the generation of radiation absorption phenomena laser by said grains;
- the method further comprises a step of heating the powders carried out during and / or after surface treatment and prior to the step of selective melting of the powders;
- the surface treatment step of the powder grains is carried out by means of a surface treatment treatment of the powders comprising a plasma spraying device configured to spray the etching agent onto the powder grains, and in which the step the powders are heated by means of the plasma spraying device simultaneously with the surface treatment step.
- the invention provides an apparatus for additive manufacturing comprising:
- a support such as a horizontal plate on which various layers of powder are successively deposited
- a distribution arrangement configured to distribute the powder on the support, this distribution arrangement comprising for example a squeegee or a layering roller for spreading the various successive layers of powder,
- a power source configured to perform the selective melting of at least part of the layer of powder deposited on the support
- control unit which controls the various components of the device as a function of information pre-stored in a memory
- the apparatus further comprises an assembly for surface treatment of the powders comprising an etching agent reservoir connected to an etching agent spraying element, the spraying element being arranged opposite a surface of a powder layer and being configured to spray the etching agent on the powder grains so as to carry out a manufacturing process by adding material according to the invention.
- the etching agent is a liquid, and in which the spraying device comprises a nozzle configured to project droplets of etching agent onto the powder grains;
- the nozzle is a micro-nozzle or an electro-nozzle configured to control the size of the drops of etching agent
- the etching agent is a gas
- the spraying device comprises a plasma spraying device configured to spray the etching agent onto the powder grains
- the plasma projection device is configured to project a plasma jet and includes an excitation source configured to operate in pulse mode and / or in continuous mode; the plasma projection device comprises an electrode extending in a longitudinal direction inside a sheath extending longitudinally and into which the etching agent is injected, the sheath comprising a slot extending longitudinally opposite from the surface of the powder layer, the electrode being excited so as to generate a linear plasma projected through the slit onto the powder, the ejection of the plasma causing the etching agent to be projected onto the powder.
- Figure la is a diagram representing a relief model of conical shape used to express the roughness of a surface, on which is represented the path traveled by several rays which undergo multiple reflections in said relief;
- Figure lb is a diagram showing a relief model of cylindrical shape used to express the roughness of a surface, on which is represented the path traveled by a ray "trapped" in said relief;
- Figure le is a diagram representing a relief model having a drop shape used to express the roughness of a surface, on which is represented the path traveled by a ray "trapped" in said relief;
- FIG. 2 is a schematic representation of an additive manufacturing device according to the invention.
- FIG. 3 is a schematic representation of a surface treatment device for powders according to one embodiment of the invention.
- - Figure 4 is a representation of a surface treatment device for powders according to another embodiment of the invention
- - Figure 5 is a representation of a surface treatment device for powders according to a third embodiment of the invention.
- the invention applies to a manufacturing process by adding material comprising the steps of:
- the method comprises, at the end of the deposition and before the selective fusion a surface treatment step of the powder grains carried out on site and comprising a step d surface attack during which an etching agent is sprayed onto the surface of the powder grains, the etching agent chemically reacting with the powder grains and altering the surface of the powder grains so that the surface of the powder grains has a micrometric roughness.
- a support 2 such as a horizontal plate on which successive layers of powder are deposited
- this distribution arrangement 4 configured to distribute the powder on the support 2, this distribution arrangement 4 comprising for example a squeegee 5 or a layering roller for spreading the different successive layers of powder,
- a power source 6 configured to carry out the selective melting of at least part of the layer of powders deposited on the support 2
- a surface treatment assembly 7 for the powders configured to treat the powders during the additive manufacturing process
- control unit 9 which controls the various components of the device 1 as a function of pre-stored information (memory M).
- the powder inlet 3 can be connected to a powder reservoir which contains the powders forming the material constituting the part P to be produced during additive manufacturing.
- the powder reservoir can be internal to the machine or external to the manufacturing zone, and in this case be connected to the powder inlet 3 by means of a pipe.
- the powders can be metallic, for example copper, aluminum, silver, iron, or titanium, or ceramic.
- the power source 6 may comprise one or more laser sources 10, or one or more sources of electron beams or of particles 11, or else a combination of laser power sources and of beams of electrons and / or particles .
- At least one galvanometric mirror 12 makes it possible to orient and move the laser beam coming from the source 10 relative to the object P as a function of the information sent by the unit of control 9.
- Deflection 13 and focusing 14 coils make it possible to deflect and locally focus the electron beam on the areas of layers to be sintered or fused.
- the power source 6 comprises several sources 10 of the laser type and the displacement of the different laser beams is obtained by moving the different sources 10 of the laser type above the layer of powder to be fused.
- a heat shield T can be interposed between the part P and the side wall of the machine 15.
- the heat shield is configured to limit the emission of metallic vapors (“fumes”) from the molten part P on the other internal components of the additive manufacturing machine.
- the components of the device 1 are arranged inside a sealed enclosure 15, which can optionally be connected to a vacuum pump 16.
- the surface treatment assembly 7 comprises an etching agent reservoir 18 connected to an etching agent spraying element 19.
- the etching agent can be a fluid which reacts chemically with the surface of the powder grains when the etching agent comes into contact with the powder, for example a solution comprising halides, and / or sulphides, or any other substance having an effect. oxidizing on metal or ceramic.
- the chemical attack superficially degrades the surface state of the powder grains, thereby increasing the roughness of the powder grains.
- the surface treatment assembly 7 can optionally be mounted on an actuator 20 such as a robotic arm or any other device making it possible to move the etching device over the layers of powders.
- an actuator 20 such as a robotic arm or any other device making it possible to move the etching device over the layers of powders.
- the actuator 20 can be controlled by the control unit 9.
- the etching agent contained in the reservoir 18 is injected into the etching agent spraying element 19, which projects a controlled amount of etching agent onto the powders situated opposite the spraying element 19.
- the displacement of the surface treatment assembly 7 by means of the actuator 20 makes it possible to treat the powder on any zone of the surface 26 of the powder layer, which in particular makes it possible to treat only the surface of the grains of powder which will subsequently be merged, and for example exposed to laser radiation.
- the actuator 20 causes the spraying element 19 to move, the reservoir 18 being fixed so as to limit the mass displaced by the actuator 20.
- the spraying element 19 and the reservoir 18 can in this case be connected by a flexible pipe.
- the speed of movement of the surface treatment assembly 7 and the rate of injection of the etching agent into the spraying spraying element 19 are controlled by means of the control unit 9 so as to control the quantity of etching agent sprayed onto the powder and thus controlling the quantity of reagents consumed during the chemical reaction between the etching agent and the powder grains.
- the depth of the chemical attack of the powders produced by the etching agent is thus controlled, making it possible to obtain the desired roughness with precision.
- the spraying element 19 disperses the etching agent in the form of micro- or nanometric droplets (the droplets having at least one of their dimensions of an average size less than lpm for a micrometric droplet, or at 100nm for a nanometric droplet) or in gaseous form (aggregates or molecules).
- the spraying element 19 disperses the etching agent in the form of micro- or nanometric droplets (the droplets having at least one of their dimensions of an average size less than lpm for a micrometric droplet, or at 100nm for a nanometric droplet) or in gaseous form (aggregates or molecules).
- This makes it possible in particular to produce reliefs of small dimension (at least one of the dimensions of which has an average value of less than lpm), which makes it possible to improve the absorption of light without significantly modifying the size and / or the shape. grains of powder.
- this process also limits the insertion of dopants or impurities in the powders, preserving the initial nature (because this chemical attack surface state, most of the etching agent s 'evaporates during the fusion of the powders).
- Ang et al. 1 mention that the fraction of energy absorbed by an aluminum target exposed to a red laser with a wavelength of 690 nm increases with roughness.
- the roughness is defined as an aspect ratio h / d, h and d representing the average values of the dimensions of a relief in two directions, here for example the height (or depth) h and the diameter d.
- the absorption rate has a value of 2% for a roughness of 1 (depth to width ratio, h / d, Fig. 1), and has a value of 9% for a roughness of 5.
- the roughness is defined as an aspect ratio h / d, h and d representing the average values of the dimensions of a relief in two directions, here for example the height (or depth) h and the diameter d.
- a relief is considered in a conventional model illustrated in FIG. 1b as being a cylindrical crevice with a depth h and a diameter d.
- the relief comprises a substantially cylindrical wall having a diameter d, the wall extending between a bottom and an opening which are distant by a height (or depth) h.
- This type of attack can be produced, for example, by ion etching (or plasma), also known as anisotropic etching, because the energy of the ions (of active agent) is much greater and oriented perpendicular to the surface relative to to atoms or molecules of neutral etching agent. In fact, the well created is deep (large aspect ratio) with appreciably vertical sides.
- ion etching or plasma
- anisotropic etching because the energy of the ions (of active agent) is much greater and oriented perpendicular to the surface relative to to atoms or molecules of neutral etching agent.
- the well created is deep (large aspect ratio) with appreciably vertical sides.
- the surface treatment assembly 7 may comprise several reservoirs 18 comprising the same etching agent or which may include different etching agents depending on the powder used for manufacturing.
- These different reservoirs 18 can each be connected to a spray device 19 which is specific to them, by a pipe which is specific to them or even by a single pipe.
- a spray device 19 which is specific to them
- tanks 18 are connected to an inlet element common to the different tanks 18, the inlet element being connected on the one hand to the different tanks 18 and on the other hand to the spraying device 19.
- the laser source 10 of the power source 6 has a wavelength chosen as a function of the roughness obtained on the powder grains, so as to optimize the energy transfer between the laser beam and the powder grains.
- Ang et al. describe that the fraction of energy absorbed by an aluminum target exposed to an ultraviolet laser with a wavelength of 248 nm increases with roughness, the absorption rate having a value of 4% for a roughness of 1, and having a value of 16% for a roughness of 5.
- the ultraviolet laser has better heating capacity (energy transfer) than the red laser.
- these results may vary and are in no way limiting.
- a step of heating the powders is carried out, locally or over the entire surface 26 of the powder layer disposed on the support 2, before carrying out the selective melting, and after having carried out the surface treatment of the powders making it possible to obtain the roughness desired for the grains of powder.
- absorption is further improved.
- Ang et al. describe that the fraction of energy absorbed by a surface having a roughness value of 5 in solid silver exposed to a red laser with a wavelength of 690 nm increases with temperature, the absorption factor varying between a rate about 5% at room temperature and a rate of around 25% for a temperature of about 900 ° C.
- the absorption factor varying between a rate of around 5% at room temperature and a rate around 30% for a temperature of around 900 ° C.
- the absorption factor varying between a rate of around 5% at temperature ambient and a rate of around 20% for a temperature of around 900 ° C.
- the surface of the powder grains is treated to present a nanostructure of optimal size, relative to the wavelength of the laser source to cause resonant phenomena of absorption of laser radiation.
- nanostructure that at least one of the parameters representing the average values of the dimensions of a relief has a value between 1 and 100 nanometers.
- the etching agent is a liquid contained in the reservoir 18. It can be conveyed to the discharge by a flexible conduit and using a micro-injector.
- the liquid is entrained through a bubbler (that is to say by bubbling a gas into the etching agent which it is desired to inject).
- the flow of the mixture of gas and liquid droplets can be monitored by a flow meter.
- the spraying device 19 comprises a nozzle 21 configured to project droplets of etching agent onto the powders.
- the nozzle 21 is a micro-nozzle or an electro-nozzle configured to control the size of the drops of etching agent, so as to control the depth of the chemical attack regardless of the size of the powder grains.
- a nozzle 21 allows local application of the chemically active substances. It can lead to isotropic roughness, like those presented in Fig. 1 C).
- the liquid chosen for surface engraving of the powder grains is volatile at high temperature.
- the etching agent is a gas contained in the reservoir 18.
- the spraying device 19 comprises a plasma spraying device 22.
- the etching agent is injected in the form of molecular gas or very fine droplets (aerosols, for example) into the plasma projection device 22, the plasma ensuring the activation and the projection of the etching agent on the powders.
- the liquid is entrained through a bubbler (that is to say by bubbling the plasma gas into the etching agent which it is desired to inject).
- the flow of the mixture of gases and liquid droplets can be controlled by a flow meter in order to keep the total pressure of the enclosure 15 in the standard process parameters.
- the plasma gas can also act as an etchant, or not.
- the use of a plasma projection device 22 makes it possible to precisely control the surface exposed to the plasma jet as well as the activation of gaseous species by the plasma, in particular as a function of the flow rate of etching agent injected into the plasma projection 22 and as a function of the power applied to maintain the discharge.
- the action of the plasma on the etching agent can cause the formation of radicals and thus improve the efficiency of the etching agent, making it possible to reduce the quantities of etching agent consumed during the surface treatment of the powders.
- a plasma spraying device 22 makes it possible to carry out the step of heating the powders prior to the selective melting simultaneously with the surface treatment of the powders, and therefore to reduce the duration of the process.
- the plasma projection device 22 is configured to produce a plasma jet, making it possible to generate a plasma at atmospheric pressure or under primary vacuum (the pressure being between lOmbar and lbar).
- plasma jet it is understood that the section of the plasma jet is substantially circular and has a low lateral dispersion. It can be produced inside a capillary tube, for example.
- the plasma projection device 22 includes a dielectric barrier discharge device supplied by a high voltage pulse system, allowing the creation of a "clean" plasma, without internal electrodes, and with a high gas activation efficiency. .
- the plasma projection device 22 includes a microwave power coupling device.
- Such a microwave power coupling device is effective from 1 mbar and up to atmospheric pressure, with the particularity of operating continuously, that is to say in non-pulse mode.
- Such a device therefore makes it possible to reduce the ambient pressure during the surface treatment of the powders, and makes it possible to carry out the selective melting operation at low pressure (lower than atmospheric pressure) without there being any need to modify the pressure. between the powder processing step and the selective melting step. This allows in particular to reduce the cycle time and improve the productivity of the additive manufacturing process.
- Carrying out the selective melting step at low pressure makes it possible to minimize the losses by energy transfer between the beam and the gaseous medium of the enclosure 15, which improves the energy efficiency of the selective melting operation.
- a plurality of plasma projection devices 22 are arranged to form a plasma projection network, the projection network comprising a plurality of parallel plasma jets.
- the plasma projection devices 22 are connected to a common reservoir 18 or each plasma projection device 22 is connected to a dedicated reservoir 18.
- the plasma projection device 22 includes an elongated electrode 23 supplied by an electrical excitation source itself controlled by the control unit 9.
- This electrode 23 generates, under the effect of said excitation source, electric discharges between said electrode 23 and the powders and creates a plasma by the supply of energetic particles of positive and negative charge, allowing effective activation of the molecules of plasma neutral gas, including that of the etching agent.
- the etching agent is injected in the form of gas near the electrode 23, the plasma ensuring the projection of the etching agent on the powders through the slot 25, the width of which is of the order of 1 mm (capillary) , in order to preserve the lateral precision of the treatment.
- the electrode 23 extends substantially parallel to the powder layer. It is moved parallel to the surface 26 of the powder layer, perpendicular to the direction in which the electrode extends.
- Such a configuration allows a uniform projection of the etching agent on a surface 26 of the powder layer corresponding to the length of the electrode 23 and to its displacement distance.
- This solution for generating an electric discharge by an elongated electrode is effective over a wide range of pressures ranging from 1 mbar to a few hundred millibar.
- the distance between the electrode 23 and the surface 26 of the powder layer must be as small as possible, so that the electrical discharge (plasma) develops only between the electrode 23 and the surface 26 of the powder layer. powder.
- a mechanism (not shown) allows the adjustment of this distance in addition to the mechanism 8.
- the electrode 23 is spaced from the surface to be heated by a space (gas) of the order of a millimeter.
- the electrode 23 is preferably made of a metal which has a high melting temperature (By high temperature, it is understood that the melting temperature of the material of the electrode is at least equal to or greater than the melting temperature of the powders).
- the electrode 23 can be made of dielectric material, or of semiconductor material or ceramic.
- the electrode 23 is made of a material which is resistant to the action of the etching agent.
- the resistance to heat depends on the possible cooling of the electrode.
- a cooling system for the elongated electrode can be installed.
- the powder layer is for example connected to ground.
- the electrical excitation source allows the application of a high voltage (typically> 0.5 kV, for a heating power of some 100 W to a few kW) between the electrode 23 and the powder layer.
- a high voltage typically> 0.5 kV, for a heating power of some 100 W to a few kW
- the power supply thus produced by the source can be alternated, either sinusoidal low frequency, or any other signal profile, (square or triangular for example) or radio frequency, or pulse.
- the operation of the radio frequency excitation discharge ensures perfect neutrality of the surface 26 of the powders and the mutual repulsion of the powders is thus avoided.
- the electrode 23 is in turn subjected, in all cases, to ion bombardment. Consequently, a minute quantity of material from this electrode 23 will be sprayed, in the neutral state. This subject will redeposit, essentially, just below, so on the powder layer.
- One way to overcome this drawback is to construct the electrode 23 in the same material as the powder to be preheated.
- the electrode 23 is constructed from a material making it possible to improve certain characteristics of the material constituting the part to be produced when the material constituting the electrode is mixed with the powders.
- the electrode 23 can also - as illustrated in FIG. 5 in the particular case of an electrode 23 with a substantially circular section - be protected by a metal sheath 24 (“guard electrode”), floating or connected to the mass, provided with a slot 25 opposite the powder layer.
- guard electrode metal sheath 24
- the etching agent is then injected between the electrode 23 and the sheath 24, and is projected through the slot 25 onto the powder layer under the action of ejecting the plasma.
- the electrode 23 may alternatively have a different geometry, for example having a substantially annular section, or a knife-like section, or in an arc of a circle or in an arc of a ring.
- the electrode can also be provided with a slot.
- the electrode 23 has a wall delimiting an internal cavity.
- the etching agent is introduced into the cavity internal to the electrode 23, and is projected by the slit 25 onto the powder layer under the action of the ejection of the plasma by the slit 25.
- Such a variant makes it possible to obtain a very strong and localized action of surface corrosion of the gains, and it is possible to quickly treat the entire surface 26 of the powder layer.
- the associated method proposes to surface attack the extreme surface of the grains constituting the powder bed, after its layering, but before the micro-fusion by electron beam / laser.
- a chemical action is carried out on the surface of the powder grains, producing minute corrosion (of the order of pm) but controlled, localized and of random distribution.
- minute corrosion of the order of pm
- the surfaces of the powder grains - initially smooth - will gain a micrometric roughness, compatible with the wavelength of the laser radiation (infrared, ultraviolet or visible).
- the diameter of the relief as shown in FIG. 1, has a value of the order of a micrometer, between 0, lpm and lOpm.
- Wet etching involves sending droplets to the surface of the powders after layering.
- Dry etching is carried out by plasma using a locally acting etching gas (linear plasma for example, with a gas supply or a mixture of chemically active gases on the powders).
- a locally acting etching gas linear plasma for example, with a gas supply or a mixture of chemically active gases on the powders.
- the precise dosage of the amount of etching agent stops surface corrosion, typically micrometric in depth, and therefore makes it possible to control the surface condition of the grains, without significantly modifying their size and with perfect control of any possible doping.
- dopants trace elements which modify the properties of the initial material.
- etching agents eg Phosphorus for Copper
- the amount exceeds 1% then the electrical conductivity of the Copper drops a lot. So this control and especially the limitation of the amount of etching agent are very important.
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Abstract
The invention concerns an assembly (7) for the surface treatment of powders, operating in situ, for additive manufacturing, the assembly (7) comprising a tank of etching agent (18) connected to a spray element (19) for spraying etching agent, the spray element (19) being arranged opposite a surface (26) of a layer of powder and being configured to spray the etching agent onto the grains of powder so as to carry out a method for the surface treatment of the powders in order to improve the energy absorption rate of the grains of powder, a corresponding surface treatment method, an additive manufacturing device and method implementing such a surface treatment of powders.
Description
PROCEDE ET DISPOSITIF POUR LE TRAITEMENT DES POUDRES POUR FABRICATION APPITIVE PROCESS AND DEVICE FOR THE TREATMENT OF POWDERS FOR APPITIVE MANUFACTURING
DOMAINE TECHNIQUE GÉNÉRAL ET ART ANTÉRIEUR GENERAL TECHNICAL AREA AND PRIOR ART
L'invention concerne le domaine de la fabrication par ajout de matière, ou fabrication additive, et notamment la fabrication par ajout de poudres métalliques. The invention relates to the field of manufacturing by adding material, or additive manufacturing, and in particular the manufacturing by adding metal powders.
Classiquement, un procédé de fabrication d'une pièce par ajout de poudres métalliques est réalisé en déposant des couches successives de poudres sur une surface support plane, formant ainsi un lit de poudre. Conventionally, a method of manufacturing a part by adding metal powders is carried out by depositing successive layers of powders on a flat support surface, thus forming a powder bed.
Après le dépôt d'une couche de poudre, une source de puissance réalise une chauffe sélective de certaines zones du lit de poudre, de manière à provoquer la fusion des poudres dans les zones chauffées et ainsi former une strate de pièce cohérente après refroidissement. After the deposition of a powder layer, a power source selectively heats certain areas of the powder bed, so as to cause the powders to melt in the heated areas and thus form a coherent layer of room after cooling.
Les couches de poudres sont ainsi successivement déposées et sélectivement solidifiées de manière à former une pièce par strates successives. The layers of powders are thus successively deposited and selectively solidified so as to form a part by successive layers.
Classiquement, les sources de puissance utilisées pour réaliser la fusion sélective des poudres peuvent comprendre une ou plusieurs sources laser, ou une ou plusieurs sources à faisceau d'électrons ou de particules, ou encore une combinaison de sources utilisant un laser, un faisceau d'électrons ou de particules. Conventionally, the power sources used to carry out the selective fusion of the powders may comprise one or more laser sources, or one or more sources with an electron or particle beam, or else a combination of sources using a laser, a beam of electrons or particles.
Lors de la réalisation de pièces métalliques, la conductivité thermique et électrique et le coefficient de réflexion des poudres utilisées limitent le taux d'absorption énergétique des poudres. When producing metallic parts, the thermal and electrical conductivity and the reflection coefficient of the powders used limit the energy absorption rate of the powders.
Le rendement énergétique de l'opération de fusion sélective en est donc fortement réduit. The energy efficiency of the selective fusion operation is therefore greatly reduced.
Dans certains cas particuliers par exemple lors de l'utilisation de poudres de cuivre ou d'aluminium lors d'une fabrication additive, la majeure partie de la lumière laser est réfléchie (jusqu'à 99%), conduisant donc à la sélection de sources de puissance utilisant un faisceau d'électrons ou hybrides (laser/faisceau d'électrons).
Ces types de source de puissance présentent l'inconvénient de conduire au frittage des poudres dans des zones non-exposées directement au faisceau d'électrons, qui ne font pas partie des strates constituant la pièce, notamment par l'effet d'échauffement (Joule) induit entre les grains de poudre lors de l'écoulement de la charge électrique vers la masse. Ceci limite fortement la quantité de matière qui peut être recyclée. In certain special cases, for example when using copper or aluminum powders during additive manufacturing, most of the laser light is reflected (up to 99%), thus leading to the selection of sources. of power using an electron or hybrid beam (laser / electron beam). These types of power source have the disadvantage of leading to the sintering of powders in areas not directly exposed to the electron beam, which do not form part of the strata constituting the part, in particular by the heating effect (Joule ) induced between the grains of powder during the flow of the electric charge towards the mass. This greatly limits the amount of material that can be recycled.
Il est connu d'augmenter l'absorption de l'énergie, par l'augmentation de la surface exposée d'une pièce à un faisceau cohérent, par exemple un laser, en réalisant des reliefs sur ladite surface tel qu'illustré en figure 1, augmentant ainsi la rugosité de la surface de la pièce. It is known to increase the absorption of energy, by increasing the surface exposed of a part to a coherent beam, for example a laser, by producing reliefs on said surface as illustrated in FIG. 1 , thereby increasing the roughness of the workpiece surface.
Les reliefs induisent des réflexions multiples augmentant ainsi la probabilité d'absorption des photons même sur des surfaces très réfléchissantes. Suivant la géométrie du relief le faisceau réalise de multiples réflexions contre les surfaces des reliefs tel qu'illustré en figure la et lb, chaque réflexion entraînant un transfert d'énergie du faisceau vers la pièce. Il peut aussi être piégé pour un relief tel que présenté sur la figure le. The reliefs induce multiple reflections thus increasing the probability of absorption of the photons even on very reflecting surfaces. According to the geometry of the relief, the beam performs multiple reflections against the surfaces of the reliefs as illustrated in FIG. 1a and 1b, each reflection causing a transfer of energy from the beam to the part. It can also be trapped for a relief as shown in Figure le.
Ainsi, au lieu de réaliser une réflexion contre une surface lisse, les réflexions multiples du faisceau sur une surface présentant une rugosité importante permettent d'augmenter le taux d'absorption énergétique de la pièce. Thus, instead of carrying out a reflection against a smooth surface, the multiple reflections of the beam on a surface having a large roughness make it possible to increase the rate of energy absorption of the part.
Il est également connu que le facteur d'absorption énergétique dépend de la longueur d'onde du faisceau auquel est exposée la pièce. Plus les photons sont énergétiques, plus l'absorption est grande. Egalement, l'augmentation de la température de cette surface, améliore l'absorption énergétique [L. K. Ang et al, Appl. Phys. Lett. 70 (6), 1997, p. 696]. It is also known that the energy absorption factor depends on the wavelength of the beam to which the part is exposed. The more energetic the photons, the greater the absorption. Also, increasing the temperature of this surface improves energy absorption [L. K. Ang et al, Appl. Phys. Lett. 70 (6), 1997, p. 696].
Il est également connu de réaliser une nanostructure sur la surface d'une pièce, de manière à produire des phénomènes résonants d'absorption du rayonnement laser. Si la rugosité de surface est réalisée à l'échelle nanométrique (par exemple entre 2 et 5 nm, pour le Cuivre, alors que ces dimensions sont plus importantes pour d'autres métaux, par exemple Au, Ag, etc.), alors un phénomène résonant d'absorption de photons peut se produire, connu sous le terme de phonon résonant de surface.
Toutefois, les procédés classiquement utilisés pour réaliser et contrôler de telles nanostructures ou rugosités importantes présentent des difficultés d'application pour des grains de poudre utilisés lors de procédés de fabrication additive. It is also known to produce a nanostructure on the surface of a part, so as to produce resonant phenomena of absorption of laser radiation. If the surface roughness is produced on a nanometric scale (for example between 2 and 5 nm, for copper, while these dimensions are more important for other metals, for example Au, Ag, etc.), then a Resonant phenomenon of photon absorption can occur, known as the surface resonant phonon. However, the methods conventionally used to produce and control such significant nanostructures or roughness present application difficulties for powder grains used during additive manufacturing processes.
Dans le cas de l'immersion de l'ensemble des grains dans un bain liquide (acide ou basique) préalablement à la disposition des poudres en couches et à la fusion sélective des poudres, il serait nécessaire d'utiliser des quantités significatives de solution nocives, entraînant notamment des difficultés dans la récupération des poudres. Il serait également nécessaire d'introduire une étape supplémentaire de séchage des poudres avant de procéder au dépôt d'une couche de poudres. De plus, il est nécessaire de réaliser une étape permettant d'arrêter l'attaque chimique, qui peut continuer après l'extraction des poudres du bain liquide, jusqu'à la consommation totale des agents actifs ou alors l'utilisation de plusieurs bains, de rinçage par exemple. In the case of the immersion of all the grains in a liquid bath (acid or basic) prior to the arrangement of the powders in layers and the selective melting of the powders, it would be necessary to use significant amounts of harmful solution , causing in particular difficulties in the recovery of powders. It would also be necessary to introduce an additional step for drying the powders before depositing a layer of powders. In addition, it is necessary to carry out a step making it possible to stop the chemical attack, which can continue after the extraction of the powders from the liquid bath, until the total consumption of the active agents or else the use of several baths, for example.
PRÉSENTATION GÉNÉRALE DE L'INVENTION OVERVIEW OF THE INVENTION
Un premier but de l'invention est d'optimiser le taux d'absorption énergétique de poudres métalliques utilisées lors d'un procédé de fabrication additive. A first object of the invention is to optimize the energy absorption rate of metallic powders used during an additive manufacturing process.
Un autre but est d'optimiser le rendement énergétique d'une opération de fusion sélective lors d'un procédé de fabrication additive. Another aim is to optimize the energy efficiency of a selective melting operation during an additive manufacturing process.
Un autre but est de traiter au cours du procédé de fabrication additive la surface d'une poudre métallique de manière à augmenter la rugosité de ladite surface. Another object is to treat during the additive manufacturing process the surface of a metal powder so as to increase the roughness of said surface.
Un autre but est de pallier aux inconvénients des méthodes de traitement de surface de l'état de la technique. Another aim is to overcome the drawbacks of the prior art surface treatment methods.
A cet effet, l'invention propose un procédé de fabrication par ajout de matière comportant les étapes de : To this end, the invention proposes a manufacturing process by adding material comprising the steps of:
- Dépôt d'une couche de poudre, - Deposit of a layer of powder,
- Fusion sélective d'au moins une zone de la couche de poudre,
dans lequel le procédé comporte, à l'issue du dépôt et préalablement à la fusion sélective une étape de traitement surfacique des grains de poudre réalisée sur site et comportant une étape d'attaque superficielle au cours de laquelle un agent gravant est projeté à la surface des grains de poudre, l'agent gravant réagissant chimiquement avec les grains de poudre et altérant la surface des grains de poudre de manière à ce que la surface des grains de poudre présente une rugosité micrométrique. - Selective fusion of at least one area of the powder layer, in which the method comprises, at the end of the deposition and prior to the selective melting, a step of surface treatment of the grains of powder carried out on site and comprising a step of surface attack during which an etching agent is sprayed onto the surface grains of powder, the etchant reacting chemically with the grains of powder and altering the surface of the grains of powder so that the surface of the grains of powder has a micrometric roughness.
Un tel procédé peut avantageusement être complété par les caractéristiques suivantes prises seules ou en combinaison : Such a process can advantageously be supplemented by the following characteristics taken alone or in combination:
- l'agent gravant altère la surface des grains de poudre pour réaliser une nanostructure en surface de ceux-ci ; - the etching agent alters the surface of the powder grains to produce a nanostructure on the surface thereof;
- l'étape de fusion sélective est réalisée au moyen d'une source de puissance comportant une source laser, la longueur d'onde de ladite source et la rugosité des grains après traitement surfacique étant adaptés à la génération de phénomènes d'absorption du rayonnement laser par lesdits grains ; the selective melting step is carried out by means of a power source comprising a laser source, the wavelength of said source and the roughness of the grains after surface treatment being adapted to the generation of radiation absorption phenomena laser by said grains;
- le procédé comporte en outre une étape de chauffage des poudres réalisée pendant et/ou après traitement surfacique et préalablement à l'étape de fusion sélective des poudres ; the method further comprises a step of heating the powders carried out during and / or after surface treatment and prior to the step of selective melting of the powders;
- l'étape de traitement surfacique des grains de poudre est réalisée au moyen d'un ensemble de traitement surfacique des poudres comportant un dispositif de projection de plasma configuré pour projeter l'agent gravant sur les grains de poudre, et dans lequel l'étape de chauffage des poudres est réalisée au moyen du dispositif de projection de plasma simultanément à l'étape de traitement surfacique. the surface treatment step of the powder grains is carried out by means of a surface treatment treatment of the powders comprising a plasma spraying device configured to spray the etching agent onto the powder grains, and in which the step the powders are heated by means of the plasma spraying device simultaneously with the surface treatment step.
Selon un autre aspect, l'invention propose un appareil pour fabrication additive comportant : According to another aspect, the invention provides an apparatus for additive manufacturing comprising:
- un support tel qu'un plateau horizontal sur lequel sont déposées successivement des différentes couches de poudre, a support such as a horizontal plate on which various layers of powder are successively deposited,
- une arrivée de poudre,
- un arrangement de distribution configuré pour distribuer la poudre sur le support, cet arrangement de distribution comportant par exemple une raclette ou un rouleau de mise en couche pour étaler les différentes couches successives de poudre, - powder supply, a distribution arrangement configured to distribute the powder on the support, this distribution arrangement comprising for example a squeegee or a layering roller for spreading the various successive layers of powder,
- une source de puissance configurée pour réaliser la fusion sélective d'au moins une partie de la couche de poudre déposée sur le support, a power source configured to perform the selective melting of at least part of the layer of powder deposited on the support,
- un mécanisme pour permettre de déplacer le support au fur et à mesure du dépôt des couches, le déplacement du support pouvant être réalisé selon une direction verticale, a mechanism for allowing the support to be displaced as the layers are deposited, the support being able to be displaced in a vertical direction,
- une unité de contrôle qui assure le pilotage des différents composants de l'appareil en fonction d'informations pré-mémorisées dans une mémoire, - a control unit which controls the various components of the device as a function of information pre-stored in a memory,
caractérisé en ce que l'appareil comporte en outre un ensemble de traitement surfacique des poudres comportant un réservoir d'agent gravant connecté à un élément de pulvérisation d'agent gravant, l'élément de pulvérisation étant disposé en regard d'une surface d'une couche de poudre et étant configuré pour projeter l'agent gravant sur les grains de poudre de manière à réaliser un procédé de fabrication par ajout de matière selon l'invention. characterized in that the apparatus further comprises an assembly for surface treatment of the powders comprising an etching agent reservoir connected to an etching agent spraying element, the spraying element being arranged opposite a surface of a powder layer and being configured to spray the etching agent on the powder grains so as to carry out a manufacturing process by adding material according to the invention.
Un tel appareil peut être avantageusement complété par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en combinaison : Such an apparatus can advantageously be supplemented by the following characteristics, taken alone or in combination:
- l'agent gravant est un liquide, et dans lequel le dispositif de pulvérisation comporte une buse configurée pour projeter des gouttelettes d'agent gravant sur les grains de poudre ; the etching agent is a liquid, and in which the spraying device comprises a nozzle configured to project droplets of etching agent onto the powder grains;
- la buse est une micro-buse ou une électro-buse configurée pour contrôler la taille des gouttes d'agent gravant ; - the nozzle is a micro-nozzle or an electro-nozzle configured to control the size of the drops of etching agent;
- l'agent gravant est un gaz, et dans lequel le dispositif de pulvérisation comporte un dispositif de projection de plasma configuré pour projeter l'agent gravant sur les grains de poudre ; - the etching agent is a gas, and in which the spraying device comprises a plasma spraying device configured to spray the etching agent onto the powder grains;
- le dispositif de projection de plasma est configuré pour projeter un jet de plasma et comporte une source d'excitation configurée pour fonctionner en mode impulsionnel et/ou en mode continu ;
- le dispositif de projection de plasma comporte une électrode s'étendant selon une direction longitudinale à l'intérieur d'une gaine s'étendant longitudinalement et dans laquelle est injectée l'agent gravant, la gaine comportant une fente s'étendant longitudinalement en regard de la surface de la couche de poudre, l'électrode étant excitée de manière à générer un plasma linéique projeté à travers la fente sur la poudre, l'éjection du plasma entraînant la projection de l'agent gravant sur la poudre. - The plasma projection device is configured to project a plasma jet and includes an excitation source configured to operate in pulse mode and / or in continuous mode; the plasma projection device comprises an electrode extending in a longitudinal direction inside a sheath extending longitudinally and into which the etching agent is injected, the sheath comprising a slot extending longitudinally opposite from the surface of the powder layer, the electrode being excited so as to generate a linear plasma projected through the slit onto the powder, the ejection of the plasma causing the etching agent to be projected onto the powder.
PRÉSENTATION DES FIGURES PRESENTATION OF THE 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 : Other characteristics and advantages of the invention will emerge from the description which follows, which is purely illustrative and not limiting, and should be read with reference to the appended figures in which:
- la figure la est un schéma représentant un modèle de relief de forme conique utilisé pour exprimer la rugosité d'une surface, sur lequel est représenté le chemin parcouru par plusieurs rayons qui subissent des réflexions multiples dans ledit relief ; - Figure la is a diagram representing a relief model of conical shape used to express the roughness of a surface, on which is represented the path traveled by several rays which undergo multiple reflections in said relief;
- la figure lb est un schéma représentant un modèle de relief de forme cylindrique utilisé pour exprimer la rugosité d'une surface, sur lequel est représenté le chemin parcouru par un rayon « piégé » dans ledit relief ; - Figure lb is a diagram showing a relief model of cylindrical shape used to express the roughness of a surface, on which is represented the path traveled by a ray "trapped" in said relief;
- la figure le est un schéma représentant un modèle de relief présentant une forme de goutte utilisé pour exprimer la rugosité d'une surface, sur lequel est représenté le chemin parcouru par un rayon « piégé » dans ledit relief ; - Figure le is a diagram representing a relief model having a drop shape used to express the roughness of a surface, on which is represented the path traveled by a ray "trapped" in said relief;
- la figure 2 est une représentation schématique d'un dispositif de fabrication additive selon l'invention ; - Figure 2 is a schematic representation of an additive manufacturing device according to the invention;
- la figure 3 est une représentation schématique d'un dispositif de traitement surfacique des poudres selon un mode de réalisation de l'invention ; - Figure 3 is a schematic representation of a surface treatment device for powders according to one embodiment of the invention;
- la figure 4 est une représentation d'un dispositif de traitement surfacique des poudres selon un autre mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 5 est une représentation d'un dispositif de traitement surfacique des poudres selon un troisième mode de réalisation de l'invention. - Figure 4 is a representation of a surface treatment device for powders according to another embodiment of the invention; - Figure 5 is a representation of a surface treatment device for powders according to a third embodiment of the invention.
DESCRIPTION D'UN OU PLUSIEURS MODES DE MISE EN ŒUVRE ETDESCRIPTION OF ONE OR MORE MODES OF IMPLEMENTATION AND
DE RÉALISATION OF REALIZATION
L'invention s'applique à un procédé de fabrication par ajout de matière comportant les étapes de : The invention applies to a manufacturing process by adding material comprising the steps of:
- Dépôt d'une couche de poudre, - Deposit of a layer of powder,
- Fusion sélective d'au moins une zone de la couche de poudre, dans lequel le procédé comporte, à l'issue du dépôt et préalablement à la fusion sélective une étape de traitement surfacique des grains de poudre réalisée sur site et comportant une étape d'attaque superficielle au cours de laquelle un agent gravant est projeté à la surface des grains de poudre, l'agent gravant réagissant chimiquement avec les grains de poudre et altérant la surface des grains de poudre de manière à ce que la surface des grains de poudre présente une rugosité micrométrique. - Selective fusion of at least one zone of the powder layer, in which the method comprises, at the end of the deposition and before the selective fusion a surface treatment step of the powder grains carried out on site and comprising a step d surface attack during which an etching agent is sprayed onto the surface of the powder grains, the etching agent chemically reacting with the powder grains and altering the surface of the powder grains so that the surface of the powder grains has a micrometric roughness.
Au cours d'un tel procédé, seule la surface externe du lit de poudre est sujette au traitement chimique et non l'ensemble de la poudre. During such a process, only the external surface of the powder bed is subjected to chemical treatment and not all of the powder.
Ce procédé est notamment réalisé au moyen d'un appareil pour fabrication additive 1 tel qu'illustré en figure 2, comportant : This process is in particular carried out by means of an apparatus for additive manufacturing 1 as illustrated in FIG. 2, comprising:
- un support 2 tel qu'un plateau horizontal sur lequel sont déposées des couches de poudre successives, a support 2 such as a horizontal plate on which successive layers of powder are deposited,
- une arrivée de poudre 3 située au-dessus du support 2, - a powder inlet 3 located above the support 2,
- un arrangement de distribution 4 configuré pour distribuer la poudre sur le support 2, cet arrangement de distribution 4 comportant par exemple une raclette 5 ou un rouleau de mise en couche pour étaler les différentes couches successives de poudre, a distribution arrangement 4 configured to distribute the powder on the support 2, this distribution arrangement 4 comprising for example a squeegee 5 or a layering roller for spreading the different successive layers of powder,
- une source de puissance 6 configurée pour réaliser la fusion sélective d'au moins une partie de la couche de poudres déposée sur le support 2,
- un ensemble de traitement surfacique 7 des poudres, configuré pour traiter les poudres au cours du procédé de fabrication additive, a power source 6 configured to carry out the selective melting of at least part of the layer of powders deposited on the support 2, a surface treatment assembly 7 for the powders, configured to treat the powders during the additive manufacturing process,
- un mécanisme 8 pour permettre de déplacer le support 2 au fur et à mesure du dépôt des couches, le déplacement du support pouvant être réalisé selon une direction verticale, a mechanism 8 to allow the support 2 to be displaced as the layers are deposited, the support being able to be displaced in a vertical direction,
- une unité de contrôle 9 qui assure le pilotage des différents composants de l'appareil 1 en fonction d'informations pré-mémorisées (mémoire M). - A control unit 9 which controls the various components of the device 1 as a function of pre-stored information (memory M).
L'arrivée de poudre 3 peut être connectée à un réservoir de poudres qui contient les poudres formant le matériau constitutif de la pièce P à réaliser lors de la fabrication additive. The powder inlet 3 can be connected to a powder reservoir which contains the powders forming the material constituting the part P to be produced during additive manufacturing.
Le réservoir de poudres peut être interne à la machine ou extérieur à la zone de fabrication, et dans ce cas être raccordé à l'arrivée de poudre 3 au moyen d'une conduite. The powder reservoir can be internal to the machine or external to the manufacturing zone, and in this case be connected to the powder inlet 3 by means of a pipe.
Les poudres peuvent être métalliques, par exemple du cuivre, de l'aluminium, de l'argent, du fer, ou du titane, ou en céramique. The powders can be metallic, for example copper, aluminum, silver, iron, or titanium, or ceramic.
La source de puissance 6 peut comprendre une ou plusieurs sources laser 10, ou une ou plusieurs sources à faisceau d'électrons ou de particules 11, ou encore une combinaison de sources de puissance à laser et à faisceaux d'électrons et/ou de particules. The power source 6 may comprise one or more laser sources 10, or one or more sources of electron beams or of particles 11, or else a combination of laser power sources and of beams of electrons and / or particles .
Dans l'exemple décrit en référence à la figure 1, au moins un miroir galvanométrique 12 permet d’orienter et de déplacer le faisceau laser issu de la source 10 par rapport à l’objet P en fonction des informations envoyées par l’unité de contrôle 9. In the example described with reference to FIG. 1, at least one galvanometric mirror 12 makes it possible to orient and move the laser beam coming from the source 10 relative to the object P as a function of the information sent by the unit of control 9.
Des bobines de déflection 13 et de focalisation 14 permettent de défléchir et de focaliser localement le faisceau d'électrons sur les zones de couches à fritter ou fusionner. Deflection 13 and focusing 14 coils make it possible to deflect and locally focus the electron beam on the areas of layers to be sintered or fused.
Tout autre système de déviation peut bien entendu être envisagé. Any other deviation system can of course be envisaged.
Dans une variante, la source de puissance 6 comprend plusieurs sources 10 de type laser et le déplacement des différents faisceaux laser est obtenu en déplaçant les différentes sources 10 de type laser au-dessus de la couche de poudre à fusionner.
Un bouclier thermique T peut être interposé entre la pièce P et la paroi latérale de la machine 15. In a variant, the power source 6 comprises several sources 10 of the laser type and the displacement of the different laser beams is obtained by moving the different sources 10 of the laser type above the layer of powder to be fused. A heat shield T can be interposed between the part P and the side wall of the machine 15.
Le bouclier thermique est configuré pour limiter l'émission de vapeurs métalliques ('fumées') de la pièce P en fusion sur les autres composants internes de la machine 15 de fabrication additive. The heat shield is configured to limit the emission of metallic vapors (“fumes”) from the molten part P on the other internal components of the additive manufacturing machine.
Les composants de l’appareil 1 sont agencés à l’intérieur d’une enceinte étanche 15, pouvant optionnellement être reliée à une pompe à vide 16. The components of the device 1 are arranged inside a sealed enclosure 15, which can optionally be connected to a vacuum pump 16.
L'ensemble de traitement surfacique 7 comprend un réservoir d'agent gravant 18 connecté à un élément de pulvérisation 19 d'agent gravant. The surface treatment assembly 7 comprises an etching agent reservoir 18 connected to an etching agent spraying element 19.
L'agent gravant peut être un fluide réagissant chimiquement avec la surface des grains de poudre lorsque l'agent gravant entre en contact avec la poudre, par exemple une solution comportant des halogénures, et/ou des sulfures, ou toute autre substance ayant un effet oxydant sur du métal ou de la céramique. The etching agent can be a fluid which reacts chemically with the surface of the powder grains when the etching agent comes into contact with the powder, for example a solution comprising halides, and / or sulphides, or any other substance having an effect. oxidizing on metal or ceramic.
Ainsi, l'attaque chimique dégrade superficiellement l'état de surface des grains de poudre, faisant ainsi augmenter la rugosité des grains de poudre. Thus, the chemical attack superficially degrades the surface state of the powder grains, thereby increasing the roughness of the powder grains.
L'ensemble de traitement surfacique 7 peut optionnellement être monté sur un actionneur 20 tel qu'un bras robotisé ou tout autre dispositif permettant de déplacer le dispositif de gravure au-dessus des couches de poudres. The surface treatment assembly 7 can optionally be mounted on an actuator 20 such as a robotic arm or any other device making it possible to move the etching device over the layers of powders.
L'actionneur 20 peut être contrôlé par l'unité de contrôle 9. The actuator 20 can be controlled by the control unit 9.
L'agent gravant contenu dans le réservoir 18 est injecté dans l'élément de pulvérisation 19 d'agent gravant, qui réalise la projection d'une quantité contrôlée d'agent gravant sur les poudres situées en regard de l'élément de pulvérisation 19. The etching agent contained in the reservoir 18 is injected into the etching agent spraying element 19, which projects a controlled amount of etching agent onto the powders situated opposite the spraying element 19.
Le déplacement de l'ensemble de traitement surfacique 7 au moyen de l'actionneur 20 permet de traiter la poudre sur toute zone de la surface 26 de la couche de poudre, ce qui permet notamment de ne traiter que la surface des grains de poudre qui seront par la suite fusionnés, et par exemple exposés au rayonnement laser.
Optionnellement, l'actionneur 20 entraîne le déplacement de l'élément de pulvérisation 19, le réservoir 18 étant fixe de manière à limiter la masse déplacée par l'actionneur 20. L'élément de pulvérisation 19 et le réservoir 18 peuvent dans ce cas être raccordés par une conduite souple. The displacement of the surface treatment assembly 7 by means of the actuator 20 makes it possible to treat the powder on any zone of the surface 26 of the powder layer, which in particular makes it possible to treat only the surface of the grains of powder which will subsequently be merged, and for example exposed to laser radiation. Optionally, the actuator 20 causes the spraying element 19 to move, the reservoir 18 being fixed so as to limit the mass displaced by the actuator 20. The spraying element 19 and the reservoir 18 can in this case be connected by a flexible pipe.
La vitesse de déplacement de l'ensemble de traitement surfacique 7 et le débit d'injection de l'agent gravant dans l'élément de pulvérisation de pulvérisation 19 sont asservis au moyen de l'unité de contrôle 9 de manière à contrôler la quantité d'agent gravant pulvérisée sur la poudre et ainsi de contrôler la quantité de réactifs consommés lors de la réaction chimique entre l'agent gravant et les grains de poudre. The speed of movement of the surface treatment assembly 7 and the rate of injection of the etching agent into the spraying spraying element 19 are controlled by means of the control unit 9 so as to control the quantity of etching agent sprayed onto the powder and thus controlling the quantity of reagents consumed during the chemical reaction between the etching agent and the powder grains.
La profondeur de l'attaque chimique des poudres réalisée par l'agent gravant est ainsi maîtrisée, permettant d'obtenir la rugosité voulue avec précision. The depth of the chemical attack of the powders produced by the etching agent is thus controlled, making it possible to obtain the desired roughness with precision.
Optionnellement mais avantageusement, l'élément de pulvérisation 19 disperse l'agent gravant sous forme de gouttelettes micro- ou nano métriques (les gouttelettes présentant au moins une de leurs dimensions d'une taille moyenne inférieure à lpm pour une gouttelette micrométrique, ou à lOOnm pour une gouttelette nanométrique) ou sous forme gazeuse (agrégats ou molécules). Cela permet notamment de réaliser des reliefs de petite dimension (dont au moins l'une des dimensions présente une valeur moyenne inférieure à lpm), ce qui permet d'améliorer l'absorption de la lumière sans modifier significativement la taille et/ou la forme des grains de poudre. Avantageusement, les quantités d'agent gravant utilisées étant minimes, ce procédé limite également l'insertion de dopants ou d'impuretés dans les poudres, préservant la nature initiale (car cette attaque chimique état superficielle, la majeure partie de l'agent gravant s'évapore lors de la fusion des poudres). Optionally but advantageously, the spraying element 19 disperses the etching agent in the form of micro- or nanometric droplets (the droplets having at least one of their dimensions of an average size less than lpm for a micrometric droplet, or at 100nm for a nanometric droplet) or in gaseous form (aggregates or molecules). This makes it possible in particular to produce reliefs of small dimension (at least one of the dimensions of which has an average value of less than lpm), which makes it possible to improve the absorption of light without significantly modifying the size and / or the shape. grains of powder. Advantageously, the quantities of etching agent used being minimal, this process also limits the insertion of dopants or impurities in the powders, preserving the initial nature (because this chemical attack surface state, most of the etching agent s 'evaporates during the fusion of the powders).
Optionnellement, il est possible de contrôler le débit d'injection de l'agent gravant au moyen d'un dispositif électrostatique ou d'un système micro-fluidique.
A titre d'exemple, Ang et al.1 mentionnent que la fraction d'énergie absorbée par une cible en aluminium exposée à un laser rouge d'une longueur d'onde de 690 nm augmente avec la rugosité. Dans cet exemple, la rugosité est définie comme un rapport d'aspect h / d, h et d représentant les valeurs moyennes des dimensions d'un relief dans deux directions, ici par exemple la hauteur (ou profondeur) h et le diamètre d. Le taux d'absorption présente une valeur de 2% pour une rugosité de 1 (rapport profondeur sur largeur, h/d, Fig. 1), et présente une valeur de 9% pour une rugosité de 5. Optionally, it is possible to control the injection rate of the etching agent by means of an electrostatic device or a microfluidic system. For example, Ang et al. 1 mention that the fraction of energy absorbed by an aluminum target exposed to a red laser with a wavelength of 690 nm increases with roughness. In this example, the roughness is defined as an aspect ratio h / d, h and d representing the average values of the dimensions of a relief in two directions, here for example the height (or depth) h and the diameter d. The absorption rate has a value of 2% for a roughness of 1 (depth to width ratio, h / d, Fig. 1), and has a value of 9% for a roughness of 5.
Dans cet exemple, la rugosité est définie comme un rapport d'aspect h / d, h et d représentant les valeurs moyennes des dimensions d'un relief dans deux directions, ici par exemple la hauteur (ou profondeur) h et le diamètre d. In this example, the roughness is defined as an aspect ratio h / d, h and d representing the average values of the dimensions of a relief in two directions, here for example the height (or depth) h and the diameter d.
Un relief est considéré dans un modèle classique illustré en figure lb comme étant une crevasse cylindrique d'une profondeur h et de diamètre d. Dans ce modèle, le relief comporte une paroi sensiblement cylindrique présentant un diamètre d, la paroi s'étendant entre un fond et une ouverture qui sont distants d'une hauteur (ou profondeur) h. A relief is considered in a conventional model illustrated in FIG. 1b as being a cylindrical crevice with a depth h and a diameter d. In this model, the relief comprises a substantially cylindrical wall having a diameter d, the wall extending between a bottom and an opening which are distant by a height (or depth) h.
Ce type d'attaque peut être produite, par exemple, par gravure ionique (ou plasma), connue aussi comme gravure anisotrope, car l'énergie des ions (d'agent actif) est bien plus grande et orientée perpendiculairement à la surface par rapport aux atomes ou molécules d'agent gravant neutre. De fait, le puit créé est profond (grand rapport d'aspect) aves des flancs sensiblement verticaux. This type of attack can be produced, for example, by ion etching (or plasma), also known as anisotropic etching, because the energy of the ions (of active agent) is much greater and oriented perpendicular to the surface relative to to atoms or molecules of neutral etching agent. In fact, the well created is deep (large aspect ratio) with appreciably vertical sides.
Optionnellement, l'ensemble de traitement surfacique 7 peut comporter plusieurs réservoirs 18 comportant un même agent gravant ou pouvant comporter des agents gravant différents en fonction de la poudre utilisée pour la fabrication. Optionally, the surface treatment assembly 7 may comprise several reservoirs 18 comprising the same etching agent or which may include different etching agents depending on the powder used for manufacturing.
Ces réservoirs 18 différents peuvent chacun être connectés à un dispositif de pulvérisation 19 qui leur est propre, par une canalisation qui leur est propre ou encore par une unique canalisation. Optionnellement, les These different reservoirs 18 can each be connected to a spray device 19 which is specific to them, by a pipe which is specific to them or even by a single pipe. Optionally,
1 L. K. Ang ét al, Appl. Phys. Lett. 70 (6), 1997, p. 696
réservoirs 18 sont connectés à un élément d'admission commun aux différents réservoirs 18, l'élément d'admission étant connecté d'une part aux différents réservoirs 18 et d'autre part au dispositif de pulvérisation 19. 1 LK Ang et al, Appl. Phys. Lett. 70 (6), 1997, p. 696 tanks 18 are connected to an inlet element common to the different tanks 18, the inlet element being connected on the one hand to the different tanks 18 and on the other hand to the spraying device 19.
Optionnellement, la source laser 10 de la source de puissance 6 présente une longueur d'onde choisie en fonction de la rugosité obtenue sur les grains de poudre, de manière à optimiser le transfert d'énergie entre le faisceau laser et les grains de poudre. Optionally, the laser source 10 of the power source 6 has a wavelength chosen as a function of the roughness obtained on the powder grains, so as to optimize the energy transfer between the laser beam and the powder grains.
A titre d'exemple, Ang et al. décrivent que la fraction d'énergie absorbée par une cible en aluminium exposée à un laser ultraviolet d'une longueur d'onde de 248 nm augmente avec la rugosité, le taux d'absorption présentant une valeur de 4% pour une rugosité de 1, et présentant une valeur de 16% pour une rugosité de 5 . For example, Ang et al. describe that the fraction of energy absorbed by an aluminum target exposed to an ultraviolet laser with a wavelength of 248 nm increases with roughness, the absorption rate having a value of 4% for a roughness of 1, and having a value of 16% for a roughness of 5.
Le laser ultraviolet présente dans cet exemple une meilleure capacité de chauffage (transfert d'énergie) que le laser rouge. En fonction des matériaux et des longueurs d'ondes utilisés, ces résultats peuvent varier et ne sont aucunement limitatifs. In this example, the ultraviolet laser has better heating capacity (energy transfer) than the red laser. Depending on the materials and wavelengths used, these results may vary and are in no way limiting.
Optionnellement, une étape de chauffage des poudres est réalisée, localement ou sur toute la surface 26 de la couche de poudre disposée sur le support 2, avant de procéder à la fusion sélective, et après avoir procédé au traitement surfacique des poudres permettant d'obtenir la rugosité voulue pour les grains de poudre. En chauffant la surface rugueuse, l'absorption se trouve encore améliorée. Optionally, a step of heating the powders is carried out, locally or over the entire surface 26 of the powder layer disposed on the support 2, before carrying out the selective melting, and after having carried out the surface treatment of the powders making it possible to obtain the roughness desired for the grains of powder. By heating the rough surface, absorption is further improved.
A titre d'exemple, Ang et al. décrivent que la fraction d'énergie absorbée par une surface présentant une valeur de rugosité de 5 en argent massif exposée à un laser rouge d'une longueur d'onde de 690 nm augmente avec la température, le facteur d'absorption évoluant entre un taux d'environ 5% à température ambiante et un taux avoisinant 25% pour une température de 900°C environ. For example, Ang et al. describe that the fraction of energy absorbed by a surface having a roughness value of 5 in solid silver exposed to a red laser with a wavelength of 690 nm increases with temperature, the absorption factor varying between a rate about 5% at room temperature and a rate of around 25% for a temperature of about 900 ° C.
Dans une situation similaire mais pour une rugosité de 6, le facteur d'absorption évoluant entre un taux d'environ 5% à température ambiante et un taux avoisinant 30% pour une température de 900°C environ. In a similar situation but for a roughness of 6, the absorption factor varying between a rate of around 5% at room temperature and a rate around 30% for a temperature of around 900 ° C.
Dans une deuxième situation similaire mais pour une rugosité de 4, le facteur d'absorption évoluant entre un taux d'environ 5% à température
ambiante et un taux avoisinant 20% pour une température de 900°C environ. In a second similar situation but for a roughness of 4, the absorption factor varying between a rate of around 5% at temperature ambient and a rate of around 20% for a temperature of around 900 ° C.
Optionnellement, la surface des grains de poudre est traitée pour présenter une nanostructure de taille optimale, par rapport à la longueur d'onde de la source laser pour provoquer des phénomènes résonants d'absorption du rayonnement laser. Optionally, the surface of the powder grains is treated to present a nanostructure of optimal size, relative to the wavelength of the laser source to cause resonant phenomena of absorption of laser radiation.
Il est entendu par nanostructure que l'un au moins des paramètres représentant les valeurs moyennes des dimensions d'un relief présente une valeur comprise entre 1 et 100 nanomètres. It is understood by nanostructure that at least one of the parameters representing the average values of the dimensions of a relief has a value between 1 and 100 nanometers.
Pulvérisation par projection liquide Liquid spraying
Dans un mode de réalisation représenté en figure 3, l'agent gravant est un liquide contenu dans le réservoir 18. Il peut être acheminé jusqu'à la décharge par un conduit flexible et à l'aide d'un micro-injecteur. In an embodiment shown in FIG. 3, the etching agent is a liquid contained in the reservoir 18. It can be conveyed to the discharge by a flexible conduit and using a micro-injector.
Dans un autre mode de réalisation, le liquide est entraîné à travers un bulleur (c'est-à-dire en faisant barboter un gaz dans l'agent gravant qu'on veut injecter). Le flux du mélange de gaz et de gouttelettes de liquide peut être contrôlé par un débitmètre. In another embodiment, the liquid is entrained through a bubbler (that is to say by bubbling a gas into the etching agent which it is desired to inject). The flow of the mixture of gas and liquid droplets can be monitored by a flow meter.
Le dispositif de pulvérisation 19 comporte une buse 21 configurée pour projeter des gouttelettes d'agent gravant sur les poudres. The spraying device 19 comprises a nozzle 21 configured to project droplets of etching agent onto the powders.
Optionnellement, la buse 21 est une micro-buse ou une électro-buse configurée pour contrôler la taille des gouttes d'agent gravant, de manière à maîtriser la profondeur de l'attaque chimique indépendamment de la taille des grains de poudre. Optionally, the nozzle 21 is a micro-nozzle or an electro-nozzle configured to control the size of the drops of etching agent, so as to control the depth of the chemical attack regardless of the size of the powder grains.
L'utilisation d'une buse 21 permet une application locale des substances actives chimiquement. Elle peut conduire à des rugosités isotropes, comme celles présentées en Fig. 1(c). The use of a nozzle 21 allows local application of the chemically active substances. It can lead to isotropic roughness, like those presented in Fig. 1 C).
Dans un mode de réalisation préférentiel, le liquide choisi pour graver superficiellement les grains de poudre est volatile à haute température. In a preferred embodiment, the liquid chosen for surface engraving of the powder grains is volatile at high temperature.
De cette manière, les traces d'agent gravant qui pourraient exister en surface sont éliminées lors de la fusion des grains de poudre et évacuées par la suite sous forme de fumées, avec les autres éléments dégagés lors de la formation du bain de métal liquide.
Pulvérisation plasma In this way, the traces of etching agent which could exist on the surface are eliminated during the melting of the powder grains and subsequently evacuated in the form of fumes, with the other elements released during the formation of the liquid metal bath. Plasma spray
Dans un mode de réalisation illustré en figure 4, l'agent gravant est un gaz contenu dans le réservoir 18. In an embodiment illustrated in FIG. 4, the etching agent is a gas contained in the reservoir 18.
Le dispositif de pulvérisation 19 comporte un dispositif de projection de plasma 22. The spraying device 19 comprises a plasma spraying device 22.
L'agent gravant est injecté sous forme de gaz moléculaire ou de très fines gouttelettes (aérosols, par exemple) dans le dispositif de projection de plasma 22, le plasma assurant l'activation et la projection de l'agent gravant sur les poudres. The etching agent is injected in the form of molecular gas or very fine droplets (aerosols, for example) into the plasma projection device 22, the plasma ensuring the activation and the projection of the etching agent on the powders.
Dans un autre mode de réalisation, le liquide est entraîné à travers un bulleur (c'est-à-dire en faisant barboter le gaz plasmagène dans l'agent gravant qu'on veut injecter). Le flux du mélange de gaz et gouttelettes de liquide peut être contrôlé par un débitmètre afin de garder la pression totale de l'enceinte 15 dans les paramètres process standard. Bien entendu, le gaz plasmagène peut agir lui aussi comme agent gravant, ou pas. L'utilisation d'un dispositif de projection de plasma 22 permet de contrôler avec précision la surface exposée au jet de plasma ainsi que l'activation des espèces gazeuses par le plasma, notamment en fonction du débit d'agent gravant injecté dans le dispositif de projection de plasma 22 et en fonction de la puissance appliquée pour entretenir la décharge. In another embodiment, the liquid is entrained through a bubbler (that is to say by bubbling the plasma gas into the etching agent which it is desired to inject). The flow of the mixture of gases and liquid droplets can be controlled by a flow meter in order to keep the total pressure of the enclosure 15 in the standard process parameters. Of course, the plasma gas can also act as an etchant, or not. The use of a plasma projection device 22 makes it possible to precisely control the surface exposed to the plasma jet as well as the activation of gaseous species by the plasma, in particular as a function of the flow rate of etching agent injected into the plasma projection 22 and as a function of the power applied to maintain the discharge.
L'action du plasma sur l'agent gravant peut entraîner la formation de radicaux et ainsi améliorer l'efficacité de l'agent gravant, permettant de réduire les quantités d'agent gravant consommées lors du traitement surfacique des poudres. The action of the plasma on the etching agent can cause the formation of radicals and thus improve the efficiency of the etching agent, making it possible to reduce the quantities of etching agent consumed during the surface treatment of the powders.
En outre, l'utilisation d'un dispositif de projection de plasma 22 permet de réaliser l'étape de chauffage des poudres préalable à la fusion sélective simultanément au traitement surfacique des poudres, et donc de diminuer la durée du procédé. In addition, the use of a plasma spraying device 22 makes it possible to carry out the step of heating the powders prior to the selective melting simultaneously with the surface treatment of the powders, and therefore to reduce the duration of the process.
Dans une première variante, le dispositif de projection de plasma 22 est configuré pour réaliser un jet de plasma, permettant de générer un plasma à pression atmosphérique ou sous vide primaire (la pression étant comprise entre lOmbar et lbar).
Par jet de plasma, il est entendu que la section du jet de plasma est sensiblement circulaire et présente une faible dispersion latérale. Il peut être réalisé à l'intérieur d'un tube capillaire, par exemple. In a first variant, the plasma projection device 22 is configured to produce a plasma jet, making it possible to generate a plasma at atmospheric pressure or under primary vacuum (the pressure being between lOmbar and lbar). By plasma jet, it is understood that the section of the plasma jet is substantially circular and has a low lateral dispersion. It can be produced inside a capillary tube, for example.
Optionnellement, le dispositif de projection de plasma 22 comporte un dispositif à décharge à barrière diélectrique alimenté par un système impulsionnel haute tension, permettant la création d'un plasma « propre », sans électrodes internes, et avec une forte efficacité d'activation du gaz. Optionally, the plasma projection device 22 includes a dielectric barrier discharge device supplied by a high voltage pulse system, allowing the creation of a "clean" plasma, without internal electrodes, and with a high gas activation efficiency. .
Optionnellement, le dispositif de projection de plasma 22 comporte un dispositif de couplage de puissance microondes. Optionally, the plasma projection device 22 includes a microwave power coupling device.
Un tel dispositif de couplage de puissance microondes est efficace à partir de 1 mbar et jusqu'à la pression atmosphérique, avec la particularité de fonctionner en continu, c'est-à-dire en mode non-impulsionnel. Such a microwave power coupling device is effective from 1 mbar and up to atmospheric pressure, with the particularity of operating continuously, that is to say in non-pulse mode.
Un tel dispositif permet donc de réduire la pression ambiante lors du traitement surfacique des poudres, et permet de réaliser l'opération de fusion sélective à basse pression (inférieure à la pression atmosphérique) sans qu'il n'y ait besoin de modifier la pression entre l'étape de traitement des poudres et l'étape de fusion sélective. Cela permet notamment de réduire le temps de cycle et d'améliorer la productivité du procédé de fabrication additive. Such a device therefore makes it possible to reduce the ambient pressure during the surface treatment of the powders, and makes it possible to carry out the selective melting operation at low pressure (lower than atmospheric pressure) without there being any need to modify the pressure. between the powder processing step and the selective melting step. This allows in particular to reduce the cycle time and improve the productivity of the additive manufacturing process.
La réalisation de l'étape de fusion sélective à basse pression permet de minimiser les pertes par transfert d'énergie entre le faisceau et le milieu gazeux de l'enceinte 15, ce qui améliore le rendement énergétique de l'opération de fusion sélective. Carrying out the selective melting step at low pressure makes it possible to minimize the losses by energy transfer between the beam and the gaseous medium of the enclosure 15, which improves the energy efficiency of the selective melting operation.
Optionnellement, une pluralité de dispositifs de projection de plasma 22 sont disposés pour former un réseau de projection de plasma, le réseau de projection comportant une pluralité de jets de plasma parallèles. Optionally, a plurality of plasma projection devices 22 are arranged to form a plasma projection network, the projection network comprising a plurality of parallel plasma jets.
Les dispositifs de projection de plasma 22 sont reliés à un réservoir 18 commun ou chaque dispositif de projection de plasma 22 est relié à un réservoir 18 dédié. The plasma projection devices 22 are connected to a common reservoir 18 or each plasma projection device 22 is connected to a dedicated reservoir 18.
Dans une deuxième variante illustrée en figure 5, le dispositif de projection 22 de plasma comporte une électrode allongée 23 alimentée par
une source d'excitation électrique elle-même commandée par l'unité de contrôle 9. In a second variant illustrated in FIG. 5, the plasma projection device 22 includes an elongated electrode 23 supplied by an electrical excitation source itself controlled by the control unit 9.
Cette électrode 23 génère, sous l'effet de ladite source d'excitation, des décharges électriques entre ladite électrode 23 et les poudres et crée un plasma par l'apport de particules énergétiques de charge positive et négative, permettant une activation efficaces des molécules de gaz neutre du plasma, notamment celle de l'agent gravant. This electrode 23 generates, under the effect of said excitation source, electric discharges between said electrode 23 and the powders and creates a plasma by the supply of energetic particles of positive and negative charge, allowing effective activation of the molecules of plasma neutral gas, including that of the etching agent.
L'agent gravant est injecté sous forme de gaz à proximité de l'électrode 23, le plasma assurant la projection de l'agent gravant sur les poudres à travers la fente 25, dont la largeur est de l'ordre de 1mm (capillaire), afin de préserver la précision latérale du traitement. The etching agent is injected in the form of gas near the electrode 23, the plasma ensuring the projection of the etching agent on the powders through the slot 25, the width of which is of the order of 1 mm (capillary) , in order to preserve the lateral precision of the treatment.
L'électrode 23 s'étend de manière sensiblement parallèle à la couche de poudre. Elle est déplacée parallèlement à la surface 26 de la couche de poudre, perpendiculairement à la direction selon laquelle l'électrode s'étend. The electrode 23 extends substantially parallel to the powder layer. It is moved parallel to the surface 26 of the powder layer, perpendicular to the direction in which the electrode extends.
Une telle configuration permet une projection homogène de l'agent gravant sur une surface 26 de la couche de poudre correspondant à la longueur de l’électrode 23 et à sa distance de déplacement. Such a configuration allows a uniform projection of the etching agent on a surface 26 of the powder layer corresponding to the length of the electrode 23 and to its displacement distance.
Cette solution à génération d'une décharge électrique par une électrode allongée est efficace sur une large gamme de pressions allant de 1 mbar à quelques centaines de millibar. This solution for generating an electric discharge by an elongated electrode is effective over a wide range of pressures ranging from 1 mbar to a few hundred millibar.
Optionnellement, en modifiant la structure des électrodes, il est possible d'élargir le fonctionnement d'un tel dispositif à fente pour une gamme de pressions autour de la pression atmosphérique. Optionally, by modifying the structure of the electrodes, it is possible to extend the operation of such a slit device for a range of pressures around atmospheric pressure.
La distance entre l’électrode 23 et la surface 26 de la couche de poudre doit être la plus réduite possible, de façon à ce que la décharge électrique (plasma) se développe uniquement entre l’électrode 23 et la surface 26 de la couche de poudre. The distance between the electrode 23 and the surface 26 of the powder layer must be as small as possible, so that the electrical discharge (plasma) develops only between the electrode 23 and the surface 26 of the powder layer. powder.
Un mécanisme (non représenté) permet le réglage de cette distance en plus du mécanisme 8. A mechanism (not shown) allows the adjustment of this distance in addition to the mechanism 8.
Dans les gammes de pression précitées, l'électrode 23 est espacée de la surface à chauffer par un espace (gaz) de l'ordre du millimètre. In the above-mentioned pressure ranges, the electrode 23 is spaced from the surface to be heated by a space (gas) of the order of a millimeter.
L’électrode 23 est, de préférence, construite dans un métal qui présente une température de fusion élevée (Par température élevée, il est
entendu que la température de fusion du matériau constitutif de l'électrode est au moins égale ou supérieure à la température de fusion des poudres). The electrode 23 is preferably made of a metal which has a high melting temperature (By high temperature, it is understood that the melting temperature of the material of the electrode is at least equal to or greater than the melting temperature of the powders).
L'électrode 23 peut être réalisée en matériau diélectrique, ou en matériau semiconducteur ou en céramique. The electrode 23 can be made of dielectric material, or of semiconductor material or ceramic.
De préférence, l'électrode 23 est réalisée dans un matériau qui est résistant à l'action de l'agent gravant. Preferably, the electrode 23 is made of a material which is resistant to the action of the etching agent.
La résistance à la chaleur dépend du refroidissement éventuel de l'électrode. The resistance to heat depends on the possible cooling of the electrode.
Dans un autre mode de réalisation (non représenté), un système de refroidissement de l'électrode allongée peut être installé. In another embodiment (not shown), a cooling system for the elongated electrode can be installed.
La couche de poudre est par exemple reliée à la masse. The powder layer is for example connected to ground.
La source d'excitation électrique permet l'application d'une haute tension (typiquement > 0,5 kV, pour une puissance de chauffage de quelques 100 W à quelques kW) entre l'électrode 23 et la couche de poudre. The electrical excitation source allows the application of a high voltage (typically> 0.5 kV, for a heating power of some 100 W to a few kW) between the electrode 23 and the powder layer.
L'alimentation ainsi réalisée par la source peut être alternée, soit sinusoïdale basse fréquence, ou tout autre profil de signal, (carré ou triangulaire par exemple) soit radio fréquence, soit impulsionnelle. The power supply thus produced by the source can be alternated, either sinusoidal low frequency, or any other signal profile, (square or triangular for example) or radio frequency, or pulse.
Le fonctionnement de la décharge en excitation radio fréquence assure la parfaite neutralité de la surface 26 des poudres et on évite ainsi la répulsion mutuelle des poudres. The operation of the radio frequency excitation discharge ensures perfect neutrality of the surface 26 of the powders and the mutual repulsion of the powders is thus avoided.
Il faut noter qu'en modifiant le mode d'excitation, par exemple en mode impulsionnel haute tension, il est possible d'accélérer les ions (notamment ceux originaires de l'agent gravant, par exemple d'iode ou de chlore) à des très hautes énergies. Dans ce cas, ces ions sont dirigés dans un faisceau parallèle et ils peuvent réaliser des reliefs à parois verticales, comme celle illustré sur la figure lb. It should be noted that by modifying the excitation mode, for example in high-voltage pulse mode, it is possible to accelerate the ions (in particular those originating from the etching agent, for example iodine or chlorine) to very high energies. In this case, these ions are directed in a parallel beam and they can produce reliefs with vertical walls, such as that illustrated in FIG. 1b.
Egalement, dans le cas d'une gouttelette ionisée, elle peut traverser la couche superficielle (la « peau ») d'un grain de poudre et une fois l'énergie cinétique perdue, attaquer le grain de poudre pour créer un relief en forme de goutte, tel que représenté en figure le. Also, in the case of an ionized droplet, it can cross the surface layer (the “skin”) of a grain of powder and once the kinetic energy is lost, attack the grain of powder to create a relief in the form of drop, as shown in FIG.
Egalement, l'électrode 23 est à son tour soumise, dans tous les cas, à un bombardement ionique. Par conséquent, une infime quantité de matière de cette électrode 23 sera pulvérisée, à l'état neutre. Cette matière
va se redéposer, essentiellement, juste en dessous, donc sur la couche poudre. Also, the electrode 23 is in turn subjected, in all cases, to ion bombardment. Consequently, a minute quantity of material from this electrode 23 will be sprayed, in the neutral state. This subject will redeposit, essentially, just below, so on the powder layer.
Une façon de pallier à cet inconvénient est de construire l'électrode 23 dans le même matériau que la poudre à préchauffer. One way to overcome this drawback is to construct the electrode 23 in the same material as the powder to be preheated.
Optionnellement, l'électrode 23 est construite dans un matériau permettant d'améliorer certaines caractéristiques du matériau constitutif de la pièce à réaliser lorsque le matériau constitutif de l'électrode est mélangé aux poudres. Optionally, the electrode 23 is constructed from a material making it possible to improve certain characteristics of the material constituting the part to be produced when the material constituting the electrode is mixed with the powders.
L’électrode 23 peut en outre - ainsi que l'illustre la figure 5 dans le cas particulier d'une électrode 23 à section sensiblement circulaire - être protégée par une gaine métallique 24 (« électrode de garde »), flottante ou reliée à la masse, munie d’une fente 25 en regard de la couche de poudre. The electrode 23 can also - as illustrated in FIG. 5 in the particular case of an electrode 23 with a substantially circular section - be protected by a metal sheath 24 (“guard electrode”), floating or connected to the mass, provided with a slot 25 opposite the powder layer.
L'agent gravant est alors injecté entre l'électrode 23 et la gaine 24, et est projeté à travers la fente 25 sur la couche de poudre sous l'action d'éjection du plasma. The etching agent is then injected between the electrode 23 and the sheath 24, and is projected through the slot 25 onto the powder layer under the action of ejecting the plasma.
L'électrode 23 peut en variante présenter une géométrie différente, par exemple présenter une section sensiblement annulaire, ou une section de type couteau, ou en arc de cercle ou en arc d'anneau. L'électrode peut également être elle aussi munie d'une fente. The electrode 23 may alternatively have a different geometry, for example having a substantially annular section, or a knife-like section, or in an arc of a circle or in an arc of a ring. The electrode can also be provided with a slot.
Dans le cas d'une électrode 23 à section annulaire et comportant une fente, ou une section en arc d'anneau, l'électrode 23 comporte une paroi délimitant une cavité interne. In the case of an electrode 23 with an annular section and comprising a slot, or a ring-shaped section, the electrode 23 has a wall delimiting an internal cavity.
L'agent gravant est introduit dans la cavité interne à l'électrode 23, et est projeté par la fente 25 sur la couche de poudre sous l'action de l'éjection du plasma par la fente 25. The etching agent is introduced into the cavity internal to the electrode 23, and is projected by the slit 25 onto the powder layer under the action of the ejection of the plasma by the slit 25.
Une telle variante permet d'obtenir une action très forte et localisée de corrosion superficielle des gains, et il est possible de traiter rapidement toute la surface 26 de la couche de poudre. Such a variant makes it possible to obtain a very strong and localized action of surface corrosion of the gains, and it is possible to quickly treat the entire surface 26 of the powder layer.
Procédé de traitement surfacique de poudres Method for surface treatment of powders
Le procédé associé se propose d'attaquer superficiellement l'extrême surface des grains constituant le lit de poudre, après sa mise en couche, mais avant la micro-fusion par faisceau d'électrons/laser.
Une action chimique est réalisée sur la surface des grains de poudre, en produisant une corrosion infime (de l'ordre du pm) mais contrôlée, localisée et de répartition aléatoire. Ainsi, les surfaces des grains de poudre - initialement lisses - vont gagner une rugosité micrométrique, compatible avec la longueur d'onde du rayonnement laser (infrarouge, ultraviolet ou visible). The associated method proposes to surface attack the extreme surface of the grains constituting the powder bed, after its layering, but before the micro-fusion by electron beam / laser. A chemical action is carried out on the surface of the powder grains, producing minute corrosion (of the order of pm) but controlled, localized and of random distribution. Thus, the surfaces of the powder grains - initially smooth - will gain a micrometric roughness, compatible with the wavelength of the laser radiation (infrared, ultraviolet or visible).
Il est entendu par rugosité micrométrique que le diamètre du relief, comme représenté sur la figure 1, présente une valeur de l'ordre du micromètre, comprise entre 0,lpm et lOpm. It is understood by micrometric roughness that the diameter of the relief, as shown in FIG. 1, has a value of the order of a micrometer, between 0, lpm and lOpm.
Outre l'augmentation de l'absorption énergétique du faisceau laser par les poudres (i.e. la diminution du coefficient de réflexion des poudres), il est possible de provoquer des phénomènes résonants d'absorption à travers des plasmons de surface, si la surface présente une nanostructure. In addition to the increase in the energy absorption of the laser beam by the powders (ie the decrease in the reflection coefficient of the powders), it is possible to cause resonant absorption phenomena through surface plasmons, if the surface has a nanostructure.
Plusieurs procédés peuvent être envisagés pour attaquer chimiquement la surface des grains de poudres. Several methods can be envisaged for chemically attacking the surface of the powder grains.
La gravure par voie humide consiste à envoyer des gouttelettes à la surface des poudres après la mise en couche. Wet etching involves sending droplets to the surface of the powders after layering.
La gravure par voie sèche est effectuée par plasma à l'aide d'un gaz gravant agissant localement (un plasma linéique par exemple, avec une alimentation en gaz ou en mélange des gaz actifs chimiquement sur les poudres). Dry etching is carried out by plasma using a locally acting etching gas (linear plasma for example, with a gas supply or a mixture of chemically active gases on the powders).
Le dosage précis de la quantité d'agent gravant permet l'arrêt de la corrosion de surface, typiquement micrométrique en profondeur, et permet donc de contrôler l'état de surface des grains, sans modifier sensiblement leur taille et avec une parfaite maîtrise des éventuels dopants. The precise dosage of the amount of etching agent stops surface corrosion, typically micrometric in depth, and therefore makes it possible to control the surface condition of the grains, without significantly modifying their size and with perfect control of any possible doping.
Par dopants on entend des éléments en traces qui modifient les propriétés du matériau initial. Dans le cas des agents gravants, (ex. Phosphore pour le Cuivre), si la quantité dépasse 1%, alors la conductivité électrique du Cuivre chute beaucoup. Donc cette maîtrise et surtout la limitation de la quantité d'agent gravant sont très importantes. By dopants is meant trace elements which modify the properties of the initial material. In the case of etching agents (eg Phosphorus for Copper), if the amount exceeds 1%, then the electrical conductivity of the Copper drops a lot. So this control and especially the limitation of the amount of etching agent are very important.
Suivant la méthode de fabrication additive, laser, faisceau d'électrons ou hybride, autrement dit la gamme de pression lbar, 0.1 Pa ou 1 mbar
respectivement, l'un ou l'autre des procédés de traitement surfacique décrits peut être utilisé.
According to the additive, laser, electron beam or hybrid manufacturing method, in other words the pressure range lbar, 0.1 Pa or 1 mbar respectively, either of the surface treatment methods described can be used.
Claims
1. Procédé de fabrication par ajout de matière comportant les étapes de : 1. Manufacturing process by adding material comprising the steps of:
Dépôt d'une couche de poudre, Depositing a layer of powder,
Fusion sélective d'au moins une zone de la couche de poudre, dans lequel le procédé comporte, à l'issue du dépôt et Selective fusion of at least one zone of the powder layer, in which the process comprises, after deposition and
préalablement à la fusion sélective une étape de traitement surfacique des grains de poudre réalisée sur site et comportant une étape d'attaque superficielle au cours de laquelle un agent gravant est projeté à la surface des grains de poudre, l'agent gravant réagissant chimiquement avec les grains de poudre et altérant la surface des grains de poudre de manière à ce que la surface des grains de poudre présente une rugosité micrométrique. prior to the selective melting, a surface treatment step of the powder grains carried out on site and comprising a surface attack step during which an etching agent is sprayed onto the surface of the powder grains, the etching agent reacting chemically with the powder grains and altering the surface of the powder grains so that the surface of the powder grains has a micrometric roughness.
2. Procédé de fabrication par ajout de matière selon la revendication 1, dans lequel l'agent gravant altère la surface des grains de poudre pour réaliser une nanostructure en surface de ceux-ci. 2. Manufacturing process by adding material according to claim 1, in which the etching agent alters the surface of the powder grains to produce a nanostructure on the surface thereof.
3. Procédé de fabrication par ajout de matière selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l'étape de fusion sélective est réalisée au moyen d'une source de puissance (6) comportant une source laser (10), la longueur d'onde de ladite source et la rugosité des grains après traitement surfacique étant adaptés à la génération de phénomènes d'absorption du rayonnement laser par lesdits grains. 3. Manufacturing method by adding material according to claim 1 or 2, wherein the selective melting step is carried out by means of a power source (6) comprising a laser source (10), the wavelength of said source and the roughness of the grains after surface treatment being adapted to the generation of phenomena of absorption of laser radiation by said grains.
4. Procédé de fabrication par ajout de matière selon l'une des revendications 1 à 3, comportant en outre une étape de chauffage des poudres réalisée pendant et/ou après traitement surfacique et préalablement à l'étape de fusion sélective des poudres.
4. Manufacturing process by adding material according to one of claims 1 to 3, further comprising a step of heating the powders carried out during and / or after surface treatment and prior to the selective melting step of the powders.
5. Procédé de fabrication par ajout de matière selon la revendication 4, dans lequel l'étape de traitement surfacique des grains de poudre est réalisée au moyen d'un ensemble de traitement surfacique des poudres (7) comportant un dispositif de projection de plasma (22) configuré pour projeter l'agent gravant sur les grains de poudre, et dans lequel l'étape de chauffage des poudres est réalisée au moyen du dispositif de projection de plasma (22) simultanément à l'étape de traitement surfacique. 5. Manufacturing process by adding material according to claim 4, in which the surface treatment step of the powder grains is carried out by means of a surface treatment treatment of the powders (7) comprising a plasma spraying device ( 22) configured to spray the etching agent onto the powder grains, and in which the step of heating the powders is carried out by means of the plasma spraying device (22) simultaneously with the surface treatment step.
6. Appareil pour fabrication additive (1) comportant : 6. Apparatus for additive manufacturing (1) comprising:
un support (2) tel qu'un plateau horizontal sur lequel sont déposées successivement des différentes couches de poudre, a support (2) such as a horizontal plate on which various layers of powder are successively deposited,
une arrivée de poudre (3), powder supply (3),
un arrangement de distribution (4) configuré pour distribuer la poudre sur le support (2), cet arrangement de distribution (4) comportant par exemple une raclette (5) ou un rouleau de mise en couche pour étaler les différentes couches successives de poudre, une source de puissance (6) configurée pour réaliser la fusion sélective d'au moins une partie de la couche de poudre déposée sur le support (2), a distribution arrangement (4) configured to distribute the powder on the support (2), this distribution arrangement (4) comprising for example a squeegee (5) or a layering roller for spreading the different successive layers of powder, a power source (6) configured to carry out the selective melting of at least part of the layer of powder deposited on the support (2),
un mécanisme (8) pour permettre de déplacer le support (2) au fur et à mesure du dépôt des couches, le déplacement du support pouvant être réalisé selon une direction verticale, a mechanism (8) to allow the support (2) to be displaced as the layers are deposited, the support being able to be displaced in a vertical direction,
une unité de contrôle (9) qui assure le pilotage des différents composants de l'appareil (1) en fonction d'informations pré mémorisées dans une mémoire (M), a control unit (9) which controls the various components of the apparatus (1) as a function of information pre-stored in a memory (M),
caractérisé en ce que l'appareil (1) comporte en outre un ensemble de traitement surfacique (7) des poudres comportant un réservoir d'agent gravant (18) connecté à un élément de pulvérisation (19) d'agent gravant, l'élément de pulvérisation (19) étant disposé en regard d'une surface (26) d'une couche de poudre et étant configuré pour projeter l'agent gravant sur les grains de poudre de manière à réaliser un procédé de fabrication par ajout de matière
selon l'une des revendications 1 à 5 comportant une étape de traitement surfacique des grains de poudre. characterized in that the apparatus (1) further comprises a surface treatment assembly (7) of the powders comprising an etching agent reservoir (18) connected to a spraying element (19) of etching agent, the element spray (19) being disposed opposite a surface (26) of a powder layer and being configured to spray the etching agent on the powder grains so as to carry out a manufacturing process by adding material according to one of claims 1 to 5 comprising a surface treatment step of the powder grains.
7. Appareil pour fabrication additive selon la revendication 6, dans lequel l'agent gravant est un liquide, et dans lequel le dispositif de pulvérisation (19) comporte une buse (21) configurée pour projeter des gouttelettes d'agent gravant sur les grains de poudre. 7. Apparatus for additive manufacturing according to claim 6, in which the etching agent is a liquid, and in which the spraying device (19) comprises a nozzle (21) configured to project droplets of etching agent onto the grains of powder.
8. Appareil pour fabrication additive selon la revendication 7, dans lequel la buse (21) est une micro-buse ou une électro-buse configurée pour contrôler la taille des gouttes d'agent gravant. 8. Apparatus for additive manufacturing according to claim 7, wherein the nozzle (21) is a micro-nozzle or an electro-nozzle configured to control the size of the drops of etching agent.
9. Appareil pour fabrication additive selon l'une des revendications 6 à 8, dans lequel l'agent gravant est un gaz, et dans lequel le dispositif de pulvérisation (19) comporte un dispositif de projection de plasma (22) configuré pour projeter l'agent gravant sur les grains de poudre. 9. Apparatus for additive manufacturing according to one of claims 6 to 8, in which the etching agent is a gas, and in which the spraying device (19) comprises a plasma spraying device (22) configured to spray the agent etching on grains of powder.
10. Appareil pour fabrication additive selon la revendication 9, dans lequel le dispositif de projection de plasma (22) est configuré pour projeter un jet de plasma et comporte une source d'excitation configurée pour fonctionner en mode impulsionnel et/ou en mode continu. 10. Apparatus for additive manufacturing according to claim 9, wherein the plasma spraying device (22) is configured to project a plasma jet and comprises an excitation source configured to operate in pulse mode and / or in continuous mode.
11. Appareil pour fabrication additive selon l'une des revendications 9 ou 10, dans lequel le dispositif de projection de plasma (22) comporte une électrode (23) s'étendant selon une direction longitudinale à l'intérieur d'une gaine (24) s'étendant longitudinalement et dans laquelle est injectée l'agent gravant, la gaine comportant une fente (25) s'étendant longitudinalement en regard de la surface (26) de la couche de poudre, l'électrode (23) étant excitée de manière à générer un plasma linéique projeté à travers la fente (25) sur la poudre, l'éjection du plasma entraînant la projection de l'agent gravant sur la poudre.
11. Apparatus for additive manufacturing according to one of claims 9 or 10, wherein the plasma projection device (22) comprises an electrode (23) extending in a longitudinal direction inside a sheath (24 ) extending longitudinally and into which the etching agent is injected, the sheath comprising a slot (25) extending longitudinally opposite the surface (26) of the powder layer, the electrode (23) being excited by so as to generate a linear plasma projected through the slot (25) on the powder, the ejection of the plasma causing the projection of the etching agent on the powder.
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