WO2020234526A1 - Dispositif et procédé de fabrication additive par fusion laser sur lit de poudre - Google Patents

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WO2020234526A1
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scraper
heating system
layers
layer
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PCT/FR2020/050794
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Yann DANIS
Nicolas CARBALLO
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Safran Helicopter Engines
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Definitions

  • TITLE DEVICE AND METHOD FOR ADDITIVE MANUFACTURING BY
  • the present invention relates to a device and a method for additive manufacturing of at least one part by laser fusion on a powder bed.
  • the part is for example a part for the aeronautical industry such as an aircraft turbomachine part.
  • the state of the art includes in particular the documents FR-A1 -2 991 613, FR-A1 - 3030 323, US-A1 -2008/257879, EP-A1 - 3 345 697, US-A1 -2018/079033, DE-AI -10 2017 216411, CN-A-107 379 527, US-A1 -2019/118472, CN-U-206 242 497, US-A1 -2018/186077 and WO-A1 -2018/189107.
  • the temperature of the part being manufactured increases locally very significantly. This temperature is dependent on the parameters used and the material to be fused.
  • the heat input must be uniform over the entire surface of the tray and as much as possible throughout the manufacturing process.
  • manufacturers of additive manufacturing devices offer devices in which the part construction support plate is heated by resistors.
  • the maximum temperature of the support plate is commonly 200 ° C. Some devices may have trays heated to a higher temperature, but these trays generally have a modest size (less than or equal to approximately 70,000 mm 2 ).
  • the invention provides a simple, efficient and economical solution to at least some of these problems.
  • the invention provides for this purpose an additive manufacturing device of at least one part by laser fusion on a powder bed, comprising:
  • a support plate mobile in vertical translation and configured to be covered with layers of powder and to support the part during its manufacture
  • a mobile scraper above the support plate and configured to spread the powder and form the powder layers, one after the other, the powder layers having an upper surface S,
  • a laser beam generator configured to generate a laser beam intended to scan the layers of powder with a view to localized melting of the powder and the manufacture of the part layer by layer
  • this heating system being configured to simultaneously heat more than 10% of the upper surface S.
  • the invention thus proposes to heat the powder, not from below, but from above.
  • the upper layer (s) is / are therefore heated directly by the heating system, which is more efficient and makes it possible to have a homogeneous temperature of the powder in the heated zone.
  • This zone may be larger or smaller and may represent the entire upper surface of the powder if necessary.
  • the upper layer of powder can be heated in a homogeneous manner before any step of scanning the powder with the laser beam.
  • the heating temperature is advantageously lower than the melting temperature of the powder so as not to disturb the manufacture of the part, and may be greater than or equal to 500 ° C.
  • the device according to the invention may include one or more of the following characteristics, taken independently of each other or in combination with each other:
  • the heating system is configured to simultaneously heat more than 30% of the upper surface S;
  • the heating system is configured to simultaneously heat the entire upper surface S;
  • the heating system is integral with the scraper and mobile with the scraper;
  • the scraper carries a heating system and a preheating system, the preheating system being located on an upstream side of the scraper with respect to a direction of movement of the scraper with a view to spreading the powder, and the heating system being located on a downstream side of the scraper with respect to this direction;
  • the scraper is a blade configured to move in translation in a plane parallel to the upper surface S;
  • the heating system is carried by a wall of the enclosure, and in particular by a ceiling of the enclosure;
  • the heating system is chosen from heating systems by induction, by electrical resistance, and by heating lamp;
  • the heat lamp has a total power of between 1000 and 5000W;
  • the heating system is configured to heat the powder to a temperature greater than or equal to 500 ° C;
  • the system further comprises at least one probe for measuring the temperature of the upper surface S of the powder layers;
  • the probe is a bichromatic pyrometer pointed at the bed of powder.
  • the present invention also relates to a method of manufacturing a part by laser melting on a powder bed, by means of a device according to one of the preceding claims, characterized in that it comprises: a) a step of generating a laser beam and localized melting of the powder to produce a layer of the part, this step being repeated several times, and
  • step b) being carried out continuously during successive steps a), or step b) being carried out after each step a).
  • Step a) can include spreading the powder by the scraper to form the powder layers.
  • FIG. 1 is a very schematic view of an additive manufacturing device by laser fusion on a powder bed, according to the prior art
  • Figure 2 is a very schematic sectional view of a support plate and a powder bed of a manufacturing device of the type of that of Figure 1,
  • FIG. 3 is a very schematic view of an additive manufacturing device by laser fusion on a powder bed, according to a first embodiment of the invention.
  • FIG. 4 is a very schematic view of an additive manufacturing device by laser fusion on a powder bed, according to a second embodiment of the invention.
  • the device 6 of FIG. 1 makes it possible to manufacture a part 8, for example aeronautical, by selective melting of powder layers by high energy beam.
  • the device 6 comprises a supply tank 10 containing powder of an electrically conductive material, and a scraper 12 for transferring this powder from this tank 10 and spreading a first layer 14 of this powder on a construction support plate 34 ( it can be a solid support, part of another part or a support grid used to facilitate the construction of certain parts).
  • the device 6 also comprises a recycling bin 18 for recovering a tiny part of the used powder (in particular unmelted or not sintered) and the major part of the excess powder, after spreading the layer of powder on the support plate 34
  • a recycling bin 18 for recovering a tiny part of the used powder (in particular unmelted or not sintered) and the major part of the excess powder, after spreading the layer of powder on the support plate 34
  • the major part of the powder in the recycling bin 18 is composed of new or recycled powder.
  • this recycling bin 18 is commonly called by the profession overflow bin or ashtray.
  • the device 6 also comprises a laser beam generator 20 22, and a control system 24 able to direct this beam 22 onto any region of the support plate 34 so as to scan any region of a layer of powder.
  • the shaping of the laser beam and the variation of its diameter on the focal plane are effected respectively by means of a beam dilator 26 and a focusing system 28, the assembly constituting an optical system.
  • the device 6 can use any high energy beam instead of the laser beam 22, as long as this beam is sufficiently energetic to, in the first case, melt or in the other case form necks or bridges between the particles. of powder and part of the material on which the particles rest.
  • the scraper 12 may be in the form of a roller, as in the example shown, or any other similar means such as a reel (or hopper) associated with a scraper blade, a knife or a brush. , suitable for pouring and spreading the powder in a layer.
  • the control system 24 comprises for example at least one orientable mirror 30 on which the laser beam 22 is reflected before reaching a layer of powder, each point of the surface of which is always located at the same height with respect to the lens of focus, contained in the focusing system 28, the angular position of this mirror 30 being controlled by a galvanometric head so that the laser beam scans at least one region of the first layer of powder, and thus follows a predetermined part profile.
  • a first layer 14 of powder of a material is deposited using the scraper 12 on the support plate 34, this powder being transferred from a supply tank 10 during an outward movement of the scraper 12 and then it is scraped, and possibly slightly compacted, during one (or more) return movement (s) of the scraper 12.
  • the excess powder is recovered in the recycling bin 18.
  • a region of this first layer 14 of powder is worn, by scanning with the laser beam 22, at a temperature above the melting temperature of this powder (liquidus temperature).
  • the galvanometric head is ordered according to the information contained in the database of the computer tool used for the computer aided design and manufacture of the part to be manufactured.
  • the powder particles 32 of this region of the first layer 14 are melted and form a first bead 16 in one piece, integral with the support plate 34.
  • the support plate 34 is lowered by a height corresponding to the already defined thickness of the first layer (between 20 and 100 ⁇ m and in general from 30 to 50 ⁇ m).
  • the thickness of the powder layer to be fused or consolidated remains a variable value from one layer to another because it is highly dependent on the porosity of the powder bed and its flatness, while the pre-programmed displacement of the support plate 34 is an invariable value except for the game.
  • a second layer 36 of powder is then deposited on the first layer 14 and on this first bead 16, then a region of the second layer 36 which is located partially or completely above this first bead 22 is heated by exposure to the laser beam 22. 16, such that the powder particles of this region of the second layer 38 are melted, with at least part of the first bead 16, and form a second cord 38 in one piece or consolidated, all of these two cords 16, 38 thus forming a block.
  • the second bead 38 is advantageously already fully linked as soon as part of this second bead 38 binds to the first bead 16.
  • this manufacture In order to reduce the contamination of the part, for example by dissolved oxygen, oxide (s) or another pollutant during its manufacture layer by layer as described above, this manufacture must be carried out in a 40 degree enclosure. humidity controlled and adapted to the process / material pair, filled with a neutral gas (non-reactive) vis-à-vis the material considered such as nitrogen (N2), argon (Ar) or helium ( He) with or without the addition of a small quantity of hydrogen (H2) known for its reducing power. A mixture of at least two of these gases can also be considered. To prevent contamination, in particular by oxygen from the surrounding medium, it is customary to put this chamber 40 under overpressure. In Figure 2, arrows 42 represent the scanning of the upper surface 44 of powder bed 32 with argon.
  • Selective melting or selective laser sintering further preferably uses powders of spherical morphology, clean (i.e. non-contaminated by residual elements from the synthesis), very fine (the size of each particle is between 1 and 100 ⁇ m and preferably between 45 and 90 ⁇ m), which makes it possible to obtain an excellent surface condition of the finished part .
  • Selective melting or selective laser sintering also allows a reduction in production times, costs and fixed costs, compared to a part that is molded, injected or machined in the mass.
  • the thickness h of powder 32 located on the support plate 34 increases and a temperature gradient appears between the first layer of powder 14 (heated directly by the plate 34) and the upper layer of powder 14 which is heated only by conduction of the powder.
  • gas for example argon or nitrogen
  • the local preheating solution by a second laser generator allows it to preheat only a small area.
  • the decrease in gradients will therefore only be very localized with this solution.
  • Preheating the upper powder surface with an electron beam would be possible.
  • the preheating would be done by scanning the surface very quickly with the electron beam.
  • the temperature reached by scanning the beam would make it possible to reach over the entire surface of the powder bed a temperature of 800 to 1000 ° C depending on the material.
  • preheating to these very high temperatures removes residual stresses, it also poses problems, such as sintering of the powder all around the part being manufactured.
  • FIGS 3 and 4 illustrate two embodiments of an additive manufacturing device according to the invention.
  • the device 110 comprises:
  • a support plate 134 movable in vertical translation and configured to be covered by layers of powder 132 and to support the part during its manufacture
  • a laser beam generator 120 configured to generate a laser beam 122 intended to scan the layers of powder 132 with a view to localized melting of the powder and the manufacture of the part layer by layer.
  • the device 110 may comprise a scraper (not illustrated in FIG. 3) movable above the support plate 134 and configured to spread the powder and form the layers of powder, one after the other. These powder layers have an upper surface S.
  • the device January 10 further comprises at least one system 150 for heating the upper layer (s) of powder.
  • the heating system 150 is configured to heat all or almost all of the upper surface S.
  • the heating system 150 is here carried by a wall of the enclosure 140, and in particular by a ceiling 146 of the enclosure.
  • the heating system 150 is chosen from heating systems by induction, by electrical resistance, and by heating lamp.
  • the heating system 150 is preferably configured to heat the powder to a temperature greater than or equal to 500 ° C.
  • the device of Figure 3 is further equipped with a probe 152 for measuring the temperature of the upper surface of the powder.
  • This probe 152 is for example a bichromatic pyrometer pointed at the powder bed, as in the example shown.
  • the device 210 comprises: a support plate 234 movable in vertical translation and configured to be covered by layers of powder 232 and to support the part 260 during its manufacture,
  • a scraper 212 movable above the support plate 234 and configured to spread the powder and form the layers of powder, one after the other, the layers of powder having an upper surface S,
  • a laser beam generator 220 configured to generate a laser beam 222 intended to scan the powder layers 232 with a view to the localized melting of the powder and the manufacture of the part layer by layer.
  • the device 210 further comprises at least one system 150 for heating the upper layer (s) of powder.
  • the device 210 comprises a heating system 250 and a preheating system 252, both of which are carried by the scraper 212.
  • the systems 250, 252 are carried by the scraper 212 and therefore mobile in translation with the scraper.
  • the scraper is here a blade which is moved in translation in a plane parallel to the surface S.
  • the preheating system 252 is located on an upstream side of the scraper relative to a direction F1 of movement of the scraper with a view to spreading the powder, and the heating system 250 is located on a downstream side of the scraper relative to this. direction.
  • Systems 250, 252 can be configured to simultaneously heat more than 10% or even more than 30% of the upper surface S.
  • the systems 250, 252 are preferably configured to heat the powder to a temperature greater than or equal to 500 ° C.
  • the systems 250, 252 are chosen from heating systems by induction, by electric resistance, and by heat lamp.
  • the type of heating lamp used in this embodiment as well as in the previous one can be for example halogen or infrared.
  • lamps can be activated before and / or after deposition of the powder layer to better manage thermal gradients.
  • the use of lamps combining a total power of between 1000 and 5000W makes it possible to preheat the powder bed from a temperature of 200 ° C up to 800 ° C without difficulty by adjusting the exposure time.
  • the preheating temperature can be controlled by the control of the device 110, 210 using the parameter associated with the exposure time. Depending on the material shade, the shape or the volume of the pieces, the power and / or the times and exposure strategies could be adjusted.
  • the present invention further provides a method of manufacturing a part by laser melting on a powder bed, by means of a device 110, 210 as described above, characterized in that it comprises:
  • step b) being carried out continuously during successive steps a), or step b) being carried out after each step a).
  • the upper powder layer can be continuously heated for example.
  • the exposure strategies could be multiple and for example:
  • the lamps can also continue to heat while the fusion is done by the laser beam.
  • the upper layer may undergo a step of scanning by the laser beam with a view to the construction of a layer of the part.
  • the support plate 234 is then lowered and a new layer of powder is spread by the scraper 212.
  • the system 250 begins by preheating the powder and then the system 250 continues the rise in temperature to a desired value.
  • the spread and heated layer can then be re-scanned by the laser beam for the construction of a layer of the part.
  • this invention allows the deposited powder and the fused parts to be heated directly. This thus makes it possible to dispense with a thermal gradient induced by the thickness of the plate as well as the manufacturing height of the parts. This also makes it possible to limit heat transfers to the frame of the device and therefore to improve the precision of manufacture.
  • the temperature of the powder thus heated can be controlled by the control of the device. It can be modified depending on the path of the laser beam and the layer thickness, or even the constraints that one wishes to eliminate:

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Abstract

Dispositif (110) de fabrication additive d'au moins une pièce par fusion laser sur lit de poudre, comportant : un plateau support (134) mobile en translation verticale et configuré pour être recouvert par des couches de poudre (132) et pour supporter la pièce lors de sa fabrication, une enceinte (140) fermée s'étendant au-dessus du plateau support, et - un générateur (120) de faisceau laser configuré pour générer un faisceau laser (122) destiné à balayer les couches de poudre en vue de la fusion localisée de la poudre et la fabrication de la pièce couche par couche, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un système de chauffage (150) situé au-dessus des couches de poudre, ce système de chauffage étant configuré pour chauffer simultanément plus de 10% de la surface supérieure S.

Description

DESCRIPTION
TITRE : DISPOSITIF ET PROCEDE DE FABRICATION ADDITIVE PAR
FUSION LASER SUR LIT DE POUDRE Domaine technique de l'invention
La présente invention concerne un dispositif et un procédé de fabrication additive d’au moins une pièce par fusion laser sur lit de poudre. La pièce est par exemple une pièce pour l’industrie aéronautique telle qu’une pièce de turbomachine d’aéronef.
Arrière-plan technique
L’état de l’art comprend notamment les documents FR-A1 -2 991 613, FR-A1 - 3030 323, US-A1 -2008/257879, EP-A1 - 3 345 697, US-A1 -2018/079033, DE- AÏ -10 2017 216411 , CN-A-107 379 527, US-A1 -2019/118472, CN-U- 206 242 497, US-A1 -2018/186077 et WO-A1 -2018/189107.
II est connu de réaliser une pièce, en particulier de turbomachine d’aéronef par fabrication additive. Il existe plusieurs technologies de fabrication additive et la présente demande concerne la fabrication additive par fusion sur lit de poudre. La poudre est fondue au moyen d’un faisceau de haute énergie tel qu’un faisceau laser (technologie SLM, acronyme de Sélective Laser Melting). En pratique, un lit de poudre est déposé sur un plateau support et est balayé par le faisceau laser pour fabriquer la pièce couche par couche, une troisième couche de poudre fusionnée étant disposée au-dessus d’une deuxième couche qui est elle-même disposée au-dessus d’une première couche.
Lors de la fusion laser, la température de la pièce en cours de fabrication augmente localement de façon très importante. Cette température est dépendante des paramètres utilisés et du matériau à fusionner.
A chaque passe du faisceau laser, la matière fusionnée subit une dilatation entraînant sa compression contre la partie non fondue, ce qui, combiné avec la chute du module d’Young, produit une déformation plastique. Enfin, au cours du refroidissement de la pièce, la diminution du volume de la zone fondue produit une traction en surface et une compression dans les couches inférieures. Un apport de chaleur plus global lors de l’opération de fusion laser est jugée bénéfique afin de limiter les contraintes dans les matériaux car il permet de diminuer les contraintes lors du refroidissement, avant un nouveau passage du faisceau laser, et une nouvelle étape de fusion.
Afin de maximiser ses bénéfices, l’apport de chaleur doit être homogène sur toute la surface du plateau et autant que possible tout au long de la fabrication. A ce jour, les fabricants des dispositifs de fabrication additive proposent des dispositifs dont le plateau support de construction de la pièce est chauffé par des résistances.
La température maximale du plateau support est communément de 200°C. Certains dispositifs peuvent avoir des plateaux chauffés à une température supérieure mais ces plateaux ont en général une taille modeste (inférieure ou égale 70 000 mm2 environ).
En effet, afin d’éviter des déformations du dispositif de fabrication, il est assez difficile d’atteindre des températures élevées y compris sur des plateaux de petite taille.
Il est donc très difficile voire impossible de chauffer la poudre à une température supérieure ou égale à 500°C, en particulier des plateaux supports de grande taille ou surface de construction.
Des études sont également en cours pour chauffer la poudre par l’intermédiaire d’un autre générateur laser, indépendant du générateur laser de fusion de la poudre, et destiné à générer un faisceau laser défocalisé qui viendrait préchauffer très localement la zone de fabrication de la pièce, avant que le faisceau laser de construction vienne fondre la matière.
Ces solutions proposées et étudiées présentent l'inconvénient qu’il s’installe un gradient de température dans la pièce. Pour ce qui concerne la solution du plateau chauffant, la poudre contient une quantité importante d’air entre les grains de poudre, ce qui en fait un matériau plutôt isolant. La température de la surface supérieure du lit de poudre est dépendante du matériau de cette poudre et de l’épaisseur des couches sur le plateau support. L’efficacité du chauffage par le dessous diminue donc au fur et à mesure de la construction de la pièce. Pour le système de préchaufafge avec laser défocalisé, cette solution permet seulement de réduire les gradients thermiques au voisinage immédiat de la zone fusionnée. Des gradients importants s'installent tout de même à l'échelle de la pièce.
L’invention propose une solution simple, efficace et économique à au moins une partie de ces problèmes.
Résumé de l'invention
L’invention propose à cet effet un dispositif de fabrication additive d’au moins une pièce par fusion laser sur lit de poudre, comportant :
- un plateau support mobile en translation verticale et configuré pour être recouvert par des couches de poudre et pour supporter la pièce lors de sa fabrication,
- un racleur mobile au-dessus du plateau support et configuré pour étaler de la poudre et former les couches de poudre, les unes après les autres, les couches de poudre présentant une surface supérieure S,
- une enceinte fermée s’étendant au-dessus du plateau support, et
- un générateur de faisceau laser configuré pour générer un faisceau laser destiné à balayer les couches de poudre en vue de la fusion localisée de la poudre et la fabrication de la pièce couche par couche,
caractérisé en ce qu’il comprend au moins un système de chauffage situé au- dessus des couches de poudre, ce système de chauffage étant configuré pour chauffer simultanément plus de 10% de la surface supérieure S.
L’invention propose ainsi de chauffer la poudre, non pas par le dessous, mais par le dessus. La ou les couche(s) supérieure(s) est/sont donc chauffée(s) directement par le système de chauffage, ce qui est plus efficace et permet d’avoir une température homogène de la poudre dans la zone chauffée. Cette zone peut être plus ou moins grande et peut représenter la totalité de la surface supérieure de la poudre si nécessaire.
On comprend donc qu’au moins la couche supérieure de poudre peut être chauffée de manière homogène avant toute étape de balayage de la poudre avec le faisceau laser. La température de chauffage est avantageusement inférieure à la température de fusion de la poudre pour ne pas perturber la fabrication de la pièce, et peut être supérieure ou égale à 500°C.
Le dispositif selon l’invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises indépendamment les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres :
- le système de chauffage est configuré pour chauffer simultanément plus de 30% de la surface supérieure S ;
- le système de chauffage est configuré pour chauffer simultanément l’intégralité de la surface supérieure S ;
- le système de chauffage est solidaire du racleur et mobile avec le racleur ;
- le racleur porte un système de chauffage et un système de préchauffage, le système de préchauffage étant situé sur un côté amont du racleur par rapport à une direction de déplacement du racleur en vue de l’étalement de poudre, et le système de chauffage étant situé sur un côté aval du racleur par rapport à cette direction ;
- le racleur est une lame configurée pour se déplacer en translation dans un plan parallèle à la surface supérieure S ;
- le système de chauffage est porté par une paroi de l’enceinte, et en particulier par un plafond de l’enceinte ;
- le système de chauffage est choisi parmi des systèmes de chauffage par induction, par résistance électrique, et par lampe chauffante ;
- la lampe chauffante a une puissance totale comprise entre 1000 et 5000W ;
- le système de chauffage est configuré pour chauffer la poudre à une température supérieure ou égale à 500°C ;
- le système comprend en outre au moins une sonde de mesure de la température de la surface supérieure S des couches de poudre ;
- la sonde est un pyromètre bichromatique pointé sur le lit de poudre.
La présente invention concerne encore un procédé de fabrication d’une pièce par fusion laser sur lit de poudre, au moyen d’un dispositif selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend : a) une étape de génération d’un faisceau laser et de fusion localisée de la poudre pour la réalisation d’une couche de la pièce, cette étape étant répétée plusieurs fois, et
b) une étape de chauffage de la surface supérieure S des couches de poudre par le système de chauffage,
l’étape b) étant réalisée en continue pendant les étapes a) successives, ou l’étape b) étant réalisée après chaque étape a).
L’étape a) peut comprendre un étalement de la poudre par le racleur pour former les couches de poudre.
Brève description des figures
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la lecture de la description détaillée qui va suivre pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels :
[Fig. 1] la figure 1 est une vue très schématique d’un dispositif de fabrication additive par fusion laser sur lit de poudre, selon la technique antérieure,
[Fig. 2] la figure 2 est une vue très schématique en coupe d’un plateau support et d’un lit de poudre d’un dispositif de fabrication du type de celui de la figure 1 ,
[Fig. 3] la figure 3 est une vue très schématique d’un dispositif de fabrication additive par fusion laser sur lit de poudre, selon un premier mode de réalisation de l’invention, et
[Fig. 4] la figure 4 est une vue très schématique d’un dispositif de fabrication additive par fusion laser sur lit de poudre, selon un second mode de réalisation de l’invention.
Description détaillée de l'invention
Il existe au moins deux types de fabrication additive d’une pièce : soit la pièce est réalisée par dépôts successifs de matière fondue, soit la pièce est réalisée par fusion sélective sur lit de poudre comme illustré à la figure 1.
Le dispositif 6 de la figure 1 permet de fabriquer une pièce 8 par exemple aéronautique par fusion sélective de couches de poudre par faisceau de haute énergie. Le dispositif 6 comprend un bac d'alimentation 10 contenant de la poudre d'un matériau électroconducteur, et un racleur 12 pour transvaser cette poudre depuis ce bac 10 et étaler une première couche 14 de cette poudre sur un plateau 34 de support de construction (il peut s'agir d'un support massif, d'une partie d'une autre pièce ou d'une grille support utilisée pour faciliter la construction de certaines pièces).
Le dispositif 6 comprend également un bac de recyclage 18 pour récupérer une infime partie de la poudre usagée (en particulier non fondue ou non frittée) et la majeure partie de la poudre en excès, après étalement de la couche de poudre sur le plateau support 34. Ainsi, la majeure partie de la poudre du bac de recyclage 18 est composée de poudre neuve ou recyclée. Aussi, ce bac de recyclage 18 est communément appelé par la profession bac de trop plein ou cendrier.
Le dispositif 6 comprend également un générateur 20 de faisceau laser 22, et un système de pilotage 24 apte à diriger ce faisceau 22 sur n'importe quelle région du plateau support 34 de façon à balayer n'importe quelle région d'une couche de poudre. La mise en forme du faisceau laser et la variation de son diamètre sur le plan focal se font respectivement au moyen d'un dilatateur de faisceau 26 et d'un système de focalisation 28, l'ensemble constituant un système optique.
Le dispositif 6 peut utiliser n'importe quel faisceau de haute énergie à la place du faisceau laser 22, tant que ce faisceau est suffisamment énergétique pour, dans le premier cas, fondre ou dans l'autre cas former des cols ou ponts entre les particules de poudre et une partie du matériau sur lequel les particules reposent.
Le racleur 12 peut se présenter sous la forme d’un rouleau, comme dans l’exemple représenté, ou de tout autre moyen analogue tel qu'un dévidoir (ou trémie) associé à une lame de raclage, à un couteau ou à une brosse, apte à transvaser et étaler la poudre en couche.
Le système de pilotage 24 comprend par exemple au moins un miroir 30 orientable sur lequel le faisceau laser 22 se réfléchit avant d'atteindre une couche de poudre dont chaque point de la surface se trouve située toujours à la même hauteur par rapport à la lentille de focalisation, contenue dans le système de focalisation 28, la position angulaire de ce miroir 30 étant pilotée par une tête galvanométrique pour que le faisceau laser balaye au moins une région de la première couche de poudre, et suive ainsi un profil de pièce préétabli.
Le dispositif 6 fonctionne de la façon suivante. On dépose à l'aide du racleur 12 une première couche 14 de poudre d'un matériau sur le plateau support 34, cette poudre étant transvasée depuis un bac d'alimentation 10 lors d'un mouvement aller du racleur 12 puis elle est raclée, et éventuellement légèrement compactée, lors d'un (ou de plusieurs) mouvement(s) de retour du racleur 12. L'excédent de poudre est récupéré dans le bac de recyclage 18. On porte une région de cette première couche 14 de poudre, par balayage avec le faisceau laser 22, à une température supérieure à la température de fusion de cette poudre (température de liquidus). La tête galvanométrique est commandée selon les informations contenues dans la base de données de l'outil informatique utilisé pour la conception et la fabrication assistées par ordinateur de la pièce à fabriquer. Ainsi, les particules de poudre 32 de cette région de la première couche 14 sont fondues et forment un premier cordon 16 d'un seul tenant, solidaire avec le plateau support 34. A ce stade, on peut également balayer avec le faisceau laser plusieurs régions indépendantes de cette première couche pour former, après fusion et solidification de la matière, plusieurs premiers cordons 16 disjoints les uns des autres. On abaisse le plateau support 34 d'une hauteur correspondant à l’épaisseur déjà définie de la première couche (entre 20 et 100 pm et en général de 30 à 50 pm). L'épaisseur de la couche de poudre à fusionner ou à consolider reste une valeur variable d'une couche à l'autre car elle est fort dépendante de la porosité du lit de poudre et de sa planéité alors que le déplacement pré programmé du plateau support 34 est une valeur invariable au jeu près. On dépose ensuite une deuxième couche 36 de poudre sur la première couche 14 et sur ce premier cordon 16, puis on chauffe par exposition au faisceau laser 22 une région de la deuxième couche 36 qui est située partiellement ou complètement au-dessus de ce premier cordon 16, de telle sorte que les particules de poudre de cette région de la deuxième couche 38 sont fondues, avec au moins une partie du premier cordon 16, et forment un deuxième cordon 38 d'un seul tenant ou consolidé, l'ensemble de ces deux cordons 16, 38 formant ainsi un bloc. A cet effet, le deuxième cordon 38 est avantageusement déjà entièrement lié dès qu'une partie de ce deuxième cordon 38 se lie au premier cordon 16. On comprend que selon le profil de la pièce à construire, et notamment dans le cas de surface en contre-dépouille, il se peut que la région précitée de la première couche 14 ne se trouve pas, même partiellement, en dessous de la région précitée de la deuxième couche 36, de sorte que dans ce cas le premier codon 14 et le deuxième cordon 38 ne forment alors pas un bloc d'un seul tenant. On poursuit ensuite ce processus de construction de la pièce couche par couche en ajoutant des couches supplémentaires de poudre sur l'ensemble déjà formé. Le balayage avec le faisceau 22 permet de construire chaque couche en lui donnant une forme en accord avec la géométrie de la pièce à réaliser. Les couches inférieures de la pièce se refroidissent plus ou moins vite au fur et à mesure que les couches supérieures de la pièce se construisent.
Afin de diminuer la contamination de la pièce, par exemple en oxygène dissous, en oxyde(s) ou en un autre polluant lors de sa fabrication couche par couche telle que décrite ci-dessus, cette fabrication doit être effectuée dans une enceinte 40 à degré d'hygrométrie contrôlée et adaptée au couple procédé/matériau, remplie d'un gaz neutre (non réactif) vis-à-vis du matériau considéré tel que l'azote (N2), l'argon (Ar) ou l'hélium (He) avec ou non addition d'une faible quantité d'hydrogène (H2) connu pour son pouvoir réducteur. Un mélange d'au moins deux de ces gaz peut être aussi considéré. Pour empêcher la contamination, notamment par l'oxygène du milieu environnant, il est d'usage de mettre cette enceinte 40 en surpression. Dans la figure 2, les flèches 42 représentent le balayage de la surface supérieure 44 du lit de poudre 32 par de l’argon.
Ainsi, selon l'état de l'art actuel, la fusion sélective ou le frittage sélectif par laser permet de construire avec une bonne précision dimensionnelle des pièces faiblement polluées dont la géométrie en trois dimensions peut être complexe.
La fusion sélective ou le frittage sélectif par laser utilise en outre de préférence des poudres de morphologie sphérique, propres (c'est-à-dire non contaminées par des éléments résiduels provenant de la synthèse), très fines (la dimension de chaque particule est comprise entre 1 et 100 pm et de préférence entre 45 et 90 pm), ce qui permet d'obtenir un excellent état de surface de la pièce finie. La fusion sélective ou le frittage sélectif par laser permet par ailleurs une diminution des délais de fabrication, des coûts et des frais fixes, par rapport à une pièce moulée, injectée ou usinée dans la masse.
Il est connu de chauffer la poudre par l’intermédiaire du plateau support 34 lors de la fabrication de la pièce. Cependant, il est assez difficile d’atteindre des températures élevées (500°C et au-delà) de la poudre y compris avec un plateau support de petite taille ou surface.
Au cours de la fabrication de la pièce, l’épaisseur h de poudre 32 située sur le plateau support 34 augmente et un gradient de température apparaît entre la première couche de poudre 14 (chauffée directement par le plateau 34) et la couche supérieure de poudre 14 qui n’est chauffée que par conduction de la poudre. Par ailleurs, du fait de la présence de gaz (par exemple argon ou azote) entre les grains de poudre, celle-ci est relativement peu conductrice thermiquement, ce qui accentue le gradient thermique.
La solution de préchauffage local par un second générateur laser permet quant à elle de ne préchauffer qu’une petite surface. La diminution des gradients ne sera donc que très localisée avec cette solution.
Le préchauffage de la surface supérieure de poudre au moyen d’un faisceau d’électrons serait possible. Le préchauffage serait effectué en balayant très rapidement la surface avec le faisceau d’électrons. La température atteinte par le balayage du faisceau permettrait d’atteindre sur toute la surface du lit de poudre une température de 800 à 1000°C selon le matériau. Cependant, bien qu’un préchauffage à ces températures très élevées permette de supprimer les contraintes résiduelles, il pose aussi des problèmes, tels que le frittage de la poudre tout autour de la pièce en cours de fabrication.
Le préchauffage de la surface avec le générateur laser qui assure également la fusion de la poudre serait possible. Toutefois, en pratique, il ne serait pas possible de déplacer le faisceau suffisamment vite pour préchauffer l’intégralité du lit de poudre car la vitesse de balayage par le faisceau laser est limitée par l'utilisation des têtes galvanométriques.
Les figures 3 et 4 illustrent deux modes de réalisation d’un dispositif de fabrication additive selon l’invention.
Dans le mode de réalisation de la figure 3, le dispositif 1 10 comporte :
- un plateau support 134 mobile en translation verticale et configuré pour être recouvert par des couches de poudre 132 et pour supporter la pièce lors de sa fabrication,
- une enceinte 140 fermée s’étendant au-dessus du plateau support 134, et
- un générateur 120 de faisceau laser configuré pour générer un faisceau laser 122 destiné à balayer les couches de poudre 132 en vue de la fusion localisée de la poudre et la fabrication de la pièce couche par couche.
Le dispositif 1 10 peut comprendre un racleur (non illustré sur la figure 3) mobile au-dessus du plateau support 134 et configuré pour étaler de la poudre et former les couches de poudre, les unes après les autres. Ces couches de poudre présente une surface supérieure S.
Selon l’invention, le dispositif 1 10 comprend en outre au moins un système 150 de chauffage de la ou des couche(s) supérieure(s) de poudre.
Dans l’exemple représenté, le système de chauffage 150 est configuré pour chauffer la totalité ou la quasi-totalité de la surface supérieure S.
Le système de chauffage 150 est ici porté par une paroi de l’enceinte 140, et en particulier par un plafond 146 de l’enceinte.
Le système de chauffage 150 est choisi parmi des systèmes de chauffage par induction, par résistance électrique, et par lampe chauffante.
Le système de chauffage 150 est de préférence configuré pour chauffer la poudre à une température supérieure ou égale à 500°C.
Le dispositif de la figure 3 est de plus équipé d’une sonde 152 de mesure de la température de la surface supérieure de la poudre. Cette sonde 152 est par exemple un pyromètre bichromatique pointé sur le lit de poudre, comme dans l’exemple représenté.
Dans le mode de réalisation de la figure 4, le dispositif 210 comporte : - un plateau support 234 mobile en translation verticale et configuré pour être recouvert par des couches de poudre 232 et pour supporter la pièce 260 lors de sa fabrication,
- un racleur 212 mobile au-dessus du plateau support 234 et configuré pour étaler de la poudre et former les couches de poudre, les unes après les autres, les couches de poudre présentant une surface supérieure S,
- une enceinte 240 fermée s’étendant au-dessus du plateau support 234, et
- un générateur 220 de faisceau laser configuré pour générer un faisceau laser 222 destiné à balayer les couches de poudre 232 en vue de la fusion localisée de la poudre et la fabrication de la pièce couche par couche.
Le dispositif 210 comprend en outre au moins un système 150 de chauffage de la ou des couche(s) supérieure(s) de poudre.
Dans l’exemple représenté, le dispositif 210 comprend un système de chauffage 250 et un système de préchauffage 252, qui sont tous les deux portés par le racleur 212.
Les systèmes 250, 252 sont portés par le racleur 212 et donc mobiles en translation avec le racleur. Le racleur est ici une lame qui est déplacée en translation dans un plan parallèle à la surface S.
Le système de préchauffage 252 est situé sur un côté amont du racleur par rapport à une direction F1 de déplacement du racleur en vue de l’étalement de poudre, et le système de chauffage 250 est situé sur un côté aval du racleur par rapport à cette direction.
Les systèmes 250, 252 peuvent être configurés pour chauffer simultanément plus de 10%, voire plus de 30%, de la surface supérieure S.
Les systèmes 250, 252 sont de préférence configurés pour chauffer la poudre à une température supérieure ou égale à 500°C.
Les systèmes 250, 252 sont choisis parmi des systèmes de chauffage par induction, par résistance électrique, et par lampe chauffante.
Le type de lampe chauffante utilisé dans ce mode de réalisation ainsi que dans le précédent peut être par exemple halogène ou infrarouge.
Ces lampes peuvent être activées avant et/ou après dépôt de la couche de poudre pour gérer au mieux les gradients thermiques. L’utilisation de lampes combinant une puissance totale comprise entre 1000 et 5000W permet d’assurer un préchauffage du lit de poudre depuis une température de 200°C jusqu’à 800°C sans difficulté en jouant sur le temps d’exposition.
La température de préchauffage peut être pilotée par la commande du dispositif 110, 210 à l’aide du paramètre associé au temps d’exposition. En fonction de la nuance matière, de la forme ou du volume des pièces, la puissance et/ou les temps et stratégies d’exposition pourraient être ajustées. La présente invention propose en outre un procédé de fabrication d’une pièce par fusion laser sur lit de poudre, au moyen d’un dispositif 110, 210 tel que décrit ci-dessus, caractérisé en ce qu’il comprend :
a) une étape de génération d’un faisceau laser et de fusion localisée de la poudre pour la réalisation d’une couche de la pièce, cette étape étant répétée plusieurs fois, et
b) une étape de chauffage de la ou des couche(s) supérieure(s) de poudre par le système de chauffage,
l’étape b) étant réalisée en continue pendant les étapes a) successives, ou l’étape b) étant réalisée après chaque étape a).
Dans le cas du premier mode de réalisation de la figure 3, la couche supérieure de poudre peut être chauffée en continu par exemple.
En variante, les stratégies d’exposition pourraient être multiples et par exemple :
- si plusieurs objets sont fabriqués simultanément sur le plateau pour former une seule et même pièce ou des pièces distinctes : chauffage de la couche supérieure, puis fusion d’une couche d’un premier objet de la pièce, chauffage de la couche supérieure, puis d’une autre couche d’un second objet de la pièce, etc.
- si un seul objet est fabriqué à la fois : chauffage de la couche supérieure, fusion d’une couche de la pièce, chauffage de la couche supérieure, dépôt d’une nouvelle couche de poudre, chauffage de cette nouvelle couche supérieure, et fusion de cette nouvelle couche, etc.
Les lampes peuvent par ailleurs continuer à chauffer pendant que la fusion est faite par le faisceau laser. Dans le cas du second mode de réalisation de la figure 4, la couche supérieure peut subir une étape de balayage par le faisceau laser en vue de la construction d’une couche de la pièce. Le plateau support 234 est alors descendu et une nouvelle couche de poudre est étalée par le racleur 212. Lors de ce passage, le système 250 commence par préchauffer la poudre puis le système 250 poursuit la montée en température jusqu’à une valeur souhaitée. La couche étalée et chauffée peut alors subir un nouveau balayage par le faisceau laser en vue de la construction d’une couche de la pièce. Comme le chauffage s’effectue par le dessus, cette invention permet de chauffer directement la poudre déposée et les parties fusionnées. Cela permet ainsi de s’affranchir d’un gradient thermique induit par l’épaisseur du plateau ainsi que de la hauteur de fabrication des pièces. Cela permet aussi de limiter les transferts thermiques au bâti du dispositif et donc d’améliorer la précision de la fabrication.
La température de la poudre ainsi chauffée peut être pilotée par la commande du dispositif. Elle peut être modifiée en fonction du parcours du faisceau laser et de l’épaisseur de couche, voire des contraintes que l’on souhaite éliminer:
- afin que la fusion du métal ait toujours lieu dans les mêmes conditions de température,
- afin de ne chauffer que les zones où aura lieu la fusion du métal et ainsi préserver l’oxydation de la poudre non fondue, et
- de chauffer précisément toute ou partie des pièces et des couches supérieures.
Dans un cas particulier de mise en œuvre de l’invention, des calculs ont montré que, sans chauffage, la contrainte pouvait atteindre localement 350MPa alors qu’avec un chauffage à 500°C, cette contrainte passait à 200MPa, et à 750°C, on atteignait environ 120MPa.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif (110, 210) de fabrication additive d’au moins une pièce par fusion laser sur lit de poudre, comportant :
- un plateau support (134, 234) mobile en translation verticale et configuré pour être recouvert par des couches de poudre (132, 232) et pour supporter la pièce lors de sa fabrication,
un racleur (212) mobile au-dessus du plateau support et configuré pour étaler de la poudre et former les couches de poudre, les unes après les autres, les couches de poudre présentant une surface supérieure S,
une enceinte (140, 240) fermée s’étendant au-dessus du plateau support, et
un générateur (120, 220) de faisceau laser configuré pour générer un faisceau laser (122, 222) destiné à balayer les couches de poudre en vue de la fusion localisée de la poudre et la fabrication de la pièce couche par couche, caractérisé en ce qu’il comprend au moins un système de chauffage (150, 250) situé au-dessus des couches de poudre, ce système de chauffage étant configuré pour chauffer simultanément plus de 10% de la surface supérieure S.
2. Dispositif (110, 210) selon la revendication 1 , dans lequel le système de chauffage (150, 250) est configuré pour chauffer simultanément plus de 30% de la surface supérieure S.
3. Dispositif (110) selon la revendication 1 , dans lequel le système de chauffage (150) est configuré pour chauffer simultanément l’intégralité de la surface supérieure S.
4. Dispositif (210) selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel le système de chauffage (250) est solidaire du racleur (212) et mobile avec le racleur.
5. Dispositif (210) selon la revendication 4, dans lequel le racleur (212) porte un système de chauffage (250) et un système de préchauffage (252), le système de préchauffage étant situé sur un côté amont du racleur par rapport à une direction (F1 ) de déplacement du racleur en vue de l’étalement de poudre, et le système de chauffage étant situé sur un côté aval du racleur par rapport à cette direction.
6. Dispositif (210) selon la revendication 4 ou 5, dans lequel le racleur (212) est une lame configurée pour se déplacer en translation dans un plan parallèle à la surface supérieure (S).
7. Dispositif (1 10) selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel le système de chauffage (150) est porté par une paroi (146) de l’enceinte (140), et en particulier par un plafond de l’enceinte.
8. Dispositif (1 10, 210) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le système de chauffage (150, 250) est choisi parmi des systèmes de chauffage par induction, par résistance électrique, et par lampe chauffante.
9. Dispositif (1 10, 210) selon la revendication 8, dans lequel la lampe chauffante a une puissance totale comprise entre 1000 et 5000W.
10. Dispositif (1 10, 210) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le système de chauffage (150, 250) est configuré pour chauffer la poudre à une température supérieure ou égale à 500°C.
1 1 . Dispositif (1 10, 210) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel il comprend en outre au moins une sonde (152) de mesure de la température de la surface supérieure des couches de poudre.
12. Dispositif (1 10, 210) selon la revendication 1 1 , dans lequel la sonde (152) est un pyromètre bichromatique pointé sur le lit de poudre.
13. Procédé de fabrication d’une pièce par fusion laser sur lit de poudre, au moyen d’un dispositif (1 10, 210) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend :
a) une étape de génération d’un faisceau laser et de fusion localisée de la poudre pour la réalisation d’une couche de la pièce, cette étape étant répétée plusieurs fois, et
b) une étape de chauffage de la surface supérieure des couches de poudre par le système de chauffage,
l’étape b) étant réalisée en continue pendant les étapes a) successives, ou l’étape b) étant réalisée après chaque étape a).
14. Procédé selon la revendication 13, dans lequel l’étape a) comprend un étalement de la poudre par le racleur (212) pour former les couches de poudre.
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