WO2021250334A1 - Machine de fabrication additive avec système d'écoulement gazeux - Google Patents

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WO2021250334A1
WO2021250334A1 PCT/FR2021/050953 FR2021050953W WO2021250334A1 WO 2021250334 A1 WO2021250334 A1 WO 2021250334A1 FR 2021050953 W FR2021050953 W FR 2021050953W WO 2021250334 A1 WO2021250334 A1 WO 2021250334A1
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scraper
gas
additive manufacturing
manufacturing machine
suction system
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Inventor
Damien Jonathan Julien COURAPIED
Cédric Pierre Jacques Colas
Daniel André Jean CORNU
Rémi Robert GIRAUD
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Safran
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    • B22F12/00—Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
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    • B22F12/67—Blades
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    • B33Y30/00—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
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    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/20—Direct sintering or melting
    • B22F10/28—Powder bed fusion, e.g. selective laser melting [SLM] or electron beam melting [EBM]
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    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • the technical field of the invention is that of additive manufacturing machines and more particularly those using thermal energy (laser or electron beam) to melt and merge the particles of the well regions. determined from a bed of powders and more particularly metal powders.
  • the gas flows, and in particular argon, present in the rooms of additive manufacturing machines are essential. Indeed, these flows have multiple effects. Their primary purpose is to greatly contribute to the evacuation of the fumes produced during manufacture. But also to allow the evacuation of the pollution generated by the process, to limit the contamination of the bed of powders and the generation of defects during manufacture. In addition, a flow also makes it possible to protect the optics present in the chamber.
  • the invention offers a solution to the problems mentioned above by making it possible to limit the contamination of the bed of powders and therefore the defects in the parts, to better control the heat of the bed of powders and the gas flows during the process, to limit pollution in the machine and the risk of pollution of the optics, to have an efficient gas flow whatever the size of the production plate and the nature of the powders used, and to propose a system that can easily be optimized according to machine geometry.
  • the additive manufacturing machine comprises a scraper disposed on a support, the scraper moving between a starting position and an arrival position on said support, it is characterized in that the scraper comprises at least a gas outlet oriented towards the support and towards the rear during its displacement from the starting position to the arrival position. It is thus possible to create an additional, controlled laminar flow of gas as close as possible to the melting zone, which makes it possible to control the gas flows and to limit the generation of defects in manufacturing.
  • the total height of the system is between 1 and 10cm, preferably between 1 and 5cm specifically.
  • the scraper comprises a gas suction system arranged vis-à-vis the gas outlet of the scraper and moving with it. Adding a suction system to the scraper makes it possible to suck up the particles emitted during the process and thus protect the bed of powders from pollution.
  • the scraper for blowing gas is connected to the system for vacuuming. Several combinations are possible: blowing only, suction only, or a combination of both.
  • the gas suction system is reversible and the gas outlet can also suck gas.
  • the scraper sucks in and the auxiliary system blows gas.
  • the scraper and the suction system are separated by a distance d strictly between 1 and 10cm.
  • the distance d is preferably between 1 and 3cm.
  • the gas outlet consists of a slot parallel to the surface of the support.
  • the slot preferably has a length substantially equal to the length of the scraper.
  • the gas outlet consists of a grid.
  • the number of floors will be between 1 and 10, preferably between 1 and 5, and the number of elements across the width between 1 and 20, preferably between 5 and 15.
  • the grid is adjustable.
  • the various outlets of the grid can thus be oriented from an open position to a closed position in order to ensure optimum gas flow at the level of the melting zone.
  • the grid consists of individually adjustable slats. It is thus possible to have a modulation by zone which makes it possible to optimize the gas flow according to the position of the laser on the production plate.
  • the invention also relates to a gas flow method on the surface of a part produced by an additive manufacturing machine having at least one of the preceding characteristics, it is characterized in that an additional gas flow is generated by the scraper near a fusion zone.
  • the gas speed is between 0.1 and 10m / s. This speed makes it possible to evacuate the particles without damaging the bed of powders.
  • gases can be used such as helium, argon, nitrogen, air, hydrogen or Arcal TM.
  • FIG. 1 is a perspective view of an additive manufacturing machine according to the invention
  • FIG. 2 is a top view of a first position of the scraper according to the invention
  • FIG. 3 is a top view of a second position of the scraper according to the invention.
  • FIG. 4 shows a first embodiment of the scraper according to the invention.
  • FIG. 5 shows a second embodiment of the scraper according to the invention
  • FIG. 6 is a perspective of a variant of the invention.
  • outlet or “inlet” is understood to mean any opening allowing the circulation of a flow of gas whatever its direction, thus an outlet can blow or suck gas while an inlet can suck or blow gas.
  • the additive manufacturing machine 1 illustrated in FIG. 1 comprises a laser beam 2, a device 20 for shaping and monitoring the laser beam, a scanning head 21 comprising a protective glass 22, a support 3 and a scraper 4 arranged in a chamber 6.
  • the support 3 will descend as and when the successive production of different layers 30 until the complete realization of the part.
  • the scraper 4 comprises a blade 43 which will spread the powder by moving according to the arrow V, to form a bed of powders 7 which will be melted by the laser beam 23.
  • a primary flow 5 of gas circulates in the chamber 6 to remove the particles 70 emitted during the fusion. These particles 70 can land on the protective ice or on the bed of powders 7.
  • the bed of powders 7 will be melted at certain places called melting zone 71. It is the superposition of these melting zones 71 which will constitute the final part.
  • the scraper 4 blows a secondary flow 50 of gas on the side of the melting zone 71 in order to prevent particles 70 from getting on the bed of powders 7 and disturbing fusion.
  • This gas arrives via an inlet 42 on one side of the scraper 4.
  • the gas outlet 46 is directed towards the melting zone.
  • Figures 2 and 3 show a variant where the scraper 4 comprises a suction system 40 arranged vis-à-vis the scraper 4, facing the secondary flow 50 after the melting zone 71.
  • the suction system 40 is integral with the scraper 4 and moves with it. It will suck the secondary flow 50 after the melting zone 71, through openings 51 shown diagrammatically by the arrows. These openings are oriented towards the fusion zone 71.
  • the scraper 4 with the suction system 40 move from a starting position illustrated in Figure 2 where the suction system is in abutment on one side of the chamber 6, to an arrival position visible in Figure 3 where the scraper is in abutment on the other side of the chamber 6.
  • the scraper 4 moves at the same time as the melting zone 71 and the laser beam 23 moves on the bed of powders 7.
  • the flow secondary 50 emerges from a slot 41 parallel to the blade 43.
  • This slot 41 has a length substantially equal to that of the scraper 4 and is as close as possible to the blade 43.
  • Several slots 41, all parallel to each other, can be superimposed one above the other [0037]
  • the secondary flow 50 exits through a grid 44 made up of several cells 440 bordered by lamellae 441.
  • the number of stages of cells 440 will be between 1 and 10, preferably between 1 and 5, and the number of cells 440 in the length between 1 and 20, preferably between 5 and 15.
  • FIG. 6 shows a scraper 4 with a suction system 40 connected by two arms 45.
  • the suction system 40 is connected by a gas outlet 440 to a filter (not shown).
  • the scraper 4 is here provided with a grid 44.
  • the suction system 40 has openings 51 which may be in different shapes similar to the slot 41 or to the grid 44. Preferably, these openings 51 will be symmetrical to those of the scraper 4, that is to say that if the scraper 4 has a slot 41, so does the suction system, if the scraper has a grid 44, the suction system has the same.
  • the scraper 4 is equipped with a suction system 40, the latter will suck the gas blown by the scraper with the particles 70 and this throughout the advancement of the scraper 4.
  • the suction system 40 will be replaced by a blowing system.
  • the suction system and the scraper are reversible, that is to say that the openings 51 of the suction system 40 can blow gas and the gas outlet 46 can also suck gas. gas.

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Abstract

La machine de fabrication additive (1) selon l'invention comprend un racleur (4) disposé sur un support (3), le racleur (4) se déplaçant entre une position de départ et une position d'arrivée sur ledit support (3), elle est caractérisée en ce que le racleur (4) comprend au moins une sortie de gaz (46) orientée vers le support (3) et vers l'arrière lors de son déplacement de la position de départ à la position d'arrivée. On peut ainsi créer un flux laminaire supplémentaire contrôlé de gaz au plus proche de la zone de fusion, ce qui permet de maitriser les écoulements gazeux et de limiter la génération de défaut dans la fabrication.

Description

DESCRIPTION
TITRE : Machine de fabrication additive avec système d'écoulement gazeux
DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION [0001] Le domaine technique de l'invention est celui des machines de fabrication additive et plus particulièrement celles utilisant l'énergie thermique (laser ou faisceau d'électrons) pour faire fondre et fusionner les particules des régions bien déterminées d'un lit de poudres et plus particulièrement les poudres métalliques.
ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION [0002] Dans les machines de fabrications addictives de fines couches de poudres, ou lits, sont déposées une à une, chacune fixée sur les précédentes par un faisceau laser, un système d'étalement de poudres constitué d'un racleur étale successivement chaque couche de poudres au fur et à mesure de l'avancement de la pièce.
[0003] Les écoulements de gaz, et notamment d'argon, présents dans les chambres des machines de fabrication additives sont primordiaux. En effet, ces écoulements ont des effets multiples. Leur but premier est de contribuer fortement à l'évacuation des fumées produites pendant la fabrication. Mais également de permettre l'évacuation de la pollution générée par le procédé, de limiter la contamination du lit de poudres et la génération de défauts pendant la fabrication. De plus, un écoulement permet aussi de protéger les optiques présentes dans la chambre.
[0004] En effet, des particules sont éjectées perdant la fusion ce qui entraîne des défauts tels que des manques de fusion à certains endroits à cause de la présence de pollution sur le lit de poudres ou la présence de particules sur le lit de poudres après la fusion. [0005] Aujourd'hui, pour éviter ces problèmes, il existe des systèmes d'écoulements gazeux dans les chambres, mais ceux-ci sont complexes et macroscopiques. Ils consistent principalement en un écoulement au niveau du lit de poudres à partir d'une paroi de la chambre ainsi que d'un flux en sommet de chambre permettant de protéger les optiques des faisceaux. [0006] Ces systèmes génèrent des flux turbulents au niveau du lit et leur maîtrise n'est pas totalement assuré. En effet, il est possible de constater des différences de comportement du flux gazeux en différentes positions du plateau de fabrication. Ces différences peuvent modifier localement la thermique et donc la qualité du procédé sans parier des particules éjectées qui peuvent dans certains cas, être mal évacuées par ce genre de système. Par ailleurs, un flux mal dimensionné peut entraîner les poudres, avant l'opération de fusion par le faisceau, dans les filtres machines.
RESUME DE L'INVENTION
[0007] L'invention offre une solution aux problèmes évoqués précédemment en permettant de limiter la contamination du lit de poudres et donc les défauts dans les pièces, de mieux maîtriser la thermique du lit de poudres et les écoulements gazeux pendant le procédé, de limiter la pollution dans la machine et les risques de pollutions des optiques, d'avoir un écoulement gazeux performant quel que soit la taille du plateau de fabrication et la nature des poudres utilisées, et de proposer un système qu'on peut facilement optimiser en fonction de la géométrie machine.
[0008] La machine de fabrication additive selon l'invention comprend un racleur disposé sur un support, le racleur se déplaçant entre une position de départ et une position d'arrivée sur ledit support, elle est caractérisée en ce que le racleur comprend au moins une sortie de gaz orientée vers le support et vers l'arrière lors de son déplacement de la position de départ à la position d'arrivée. On peut ainsi créer un flux laminaire supplémentaire contrôlé de gaz au plus proche de la zone de fusion, ce qui permet de maîtriser les écoulements gazeux et de limiter la génération de défaut dans la fabrication. La hauteur total du système est comprise entre 1 et 10cm de préférence entre 1 et 5cm spécifiquement.
[0009] Avantageusement, le racleur comprend un système d'aspiration de gaz disposé en vis-à-vis de la sortie de gaz du racleur et se déplaçant avec lui. L'ajout d'un système d'aspiration au racleur permet d'aspirer les particules émises lors du procédé et ainsi protéger le lit de poudres des pollutions. Le racleur permettant de souffler du gaz est relié au système permettant d'aspirer. Plusieurs combinaisons sont possibles: soufflage seul, aspiration seule, ou une combinaison des deux.
[0010] Avantageusement, le système d'aspiration de gaz est réversible et la sortie de gaz peut également aspirer du gaz. Dans ce cas le racleur aspire et le système annexe souffle du gaz. [0011] Avantageusement, le racleur et le système d'aspiration sont distants d'une distance d strictement comprise entre 1 et 10cm. La distance d est de préférence comprise entre 1 et 3cm.
[0012] Selon un premier mode de réalisation, la sortie de gaz est constituée d'une fente parallèle à la surface du support. La fente a de préférence une longueur sensiblement égale à la longueur du racleur.
[0013] Selon un deuxième mode de réalisation, la sortie de gaz est constituée d'un quadrillage. Dans ce cas, le nombre d'étages sera compris entre 1 et 10, de préférence entre 1 et 5, et le nombre d'éléments dans la largeur compris entre 1 et 20, de préférence entre 5 et 15.
[0014] Avantageusement, le quadrillage est orientable. Les différentes sorties du quadrillage pourront ainsi être orientées d'une position ouverte jusqu'à une position fermée afin d'assurer un écoulement gazeux optimal au niveau de la zone de fusion.
[0015] Avantageusement, le quadrillage est constitué de lamelles orientables individuellement. Il est ainsi possible d'avoir une modulation par zone ce qui permet d'optimiser le flux de gaz en fonction de la position du laser sur le plateau de fabrication.
[0016] L'invention concerne également un procédé d'écoulement gazeux sur la surface d'une pièce réalisée par une machine de fabrication additive ayant au moins une des caractéristiques précédentes, il est caractérisé en ce qu'un flux gazeux supplémentaire est généré par le racleur à proximité d'une zone de fusion.
[0017] Avantageusement, la vitesse du gaz est comprise entre 0, 1 et 10m/s. Cette vitesse permet d'évacuer les particules sans détériorer le lit de poudres. Différents gaz peuvent être utilisés tel que de l'hélium, de l'argon, de l'azote, de l'air, de l'hydrogène ou de l'Arcal™.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
[0018] Les figures sont présentées à titre indicatif et nullement limitatif de l'invention.
[0019] [Fig. 1] est une vue en perspective d'une machine de fabrication additive selon l'invention ; [0020] [Fig. 2] est une vue de dessus d'une première position du racleur selon l'invention ;
[0021] [Fig. 3] est une vue de dessus d'une deuxième position du racleur selon l'invention ; [0022] [Fig. 4] montre un premier mode de réalisation du racleur selon l'invention ;
[0023] [Fig. 5] montre un deuxième mode de réalisation du racleur selon l'invention ;
[0024] [Fig. 6] est une perspective d'une variante de l'invention.
DESCRIPTION DETAILLEE [0025] Les figures sont présentées à titre indicatif et nullement limitatif de l'invention.
[0026] Sauf précision contraire, un même élément apparaissant sur des figures différentes présente une référence unique.
[0027] Dans toute la description on appellera « avant » la face du racleur qui est en premier lors que le racleur passe de la position de départ à la position d'arrivée. On entend par « sortie » ou « entrée » toute ouverture permettant la circulation d'un flux de gaz quel que soit son sens, ainsi une sortie pourra souffler ou aspirer du gaz tandis qu'une entrée pourra aspirer ou souffler du gaz.
[0028] La machine de fabrication additive 1, illustrée figure 1, comprend un faisceau laser 2, un dispositif 20 de mise en forme et de surveillance du faisceau laser, une tête de balayage 21 comprenant une glace de protection 22, un support 3 et un racleur 4 disposés dans une chambre 6.
[0029] Le support 3 va descendre au fur et à mesure de la réalisation successive de différentes couches 30 jusqu'à la réalisation complète de la pièce. [0030] Le racleur 4 comprend une lame 43 qui va étaler la poudre en se déplaçant selon la flèche V, pour former un lit de poudres 7 qui va être fondu par le rayon laser 23. Un flux primaire 5 de gaz circule dans la chambre 6 pour évacuer les particules 70 émises lors de la fusion. Ces particules 70 peuvent se poser sur la glace de protection ou sur le lit de poudres 7. [0031] Le lit de poudres 7 va être fondu à certains endroits appelés zone de fusion 71. C'est la superposition de ces zones de fusion 71 qui va constituer la pièce finale.
[0032] A partir d'une sortie de gaz 46, le racleur 4 souffle un flux secondaire 50 de gaz du côté de la zone de fusion 71 afin d'empêcher que des particules 70 se mettent sur le lit de poudres 7 et viennent perturber la fusion. Ce gaz arrive par une arrivée 42 sur un des côtés du racleur 4. La sortie de gaz 46 est orientée vers la zone de fusion
71.
[0033] Les figures 2 et 3 montrent une variante où le racleur 4 comprend un système d'aspiration 40 disposé en vis-à-vis du racleur 4, face au flux secondaire 50 après la zone de fusion 71. Le système d'aspiration 40 est solidaire du racleur 4 et se déplace avec lui. Il va aspirer le flux secondaire 50 après la zone de fusion 71 , par des ouvertures 51 schématisées par les flèches. Ces ouvertures sont orientées vers la zone de fusion 71.
[0034] Le racleur 4 avec le système d'aspiration 40 se déplacent d'une position de départ illustrée figure 2 où le système d'aspiration est en butée d'un côté de la chambre 6, jusqu'à une position d'arrivée visible sur la figure 3 où le racleur est en butée de l'autre côté de la chambre 6.
[0035] Le racleur 4 se déplace en même temps que la zone de fusion 71 et le rayon laser 23 se déplace sur le lit de poudres 7. [0036] Dans le premier mode de réalisation du racleur 4 de la figure 4, le flux secondaire 50 sort d'une fente 41 parallèle à la lame 43. Cette fente 41 a une longueur sensiblement égale à celle du racleur 4 et est le plus proche possible de la lame 43. Plusieurs fentes 41 , toutes parallèles entre elles, peuvent être superposées les unes au-dessus des autres [0037] Dans le deuxième mode de réalisation illustré figure 5, le flux secondaire 50 sort par un quadrillage 44 constitué de plusieurs cellules 440 bordées de lamelles 441. Dans ce cas, le nombre d'étages de cellules 440 sera compris entre 1 et 10, de préférence entre 1 et 5, et le nombre de cellules 440 dans la longueur entre 1 et 20, de préférence entre 5 et 15. Chacune de ces lamelles 441 sont orientables, individuellement ou non, d'une position ouverte visible sur la figure 5 jusqu'à une position fermée. Les cellules peuvent avoir des formes variées : carrées, rectangulaires, triangulaires, rondes, ovales, etc... [0038] La figure 6 montre un racleur 4 avec un système d'aspiration 40 reliés par deux bras 45. Le système d'aspiration 40 est relié par une sortie de gaz 440 à un filtre (non représenté). Le racleur 4 est ici pourvu d'un quadrillage 44. Le système d'aspiration 40 a des ouvertures 51 qui peuvent se présenter sous différentes formes semblables à la fente 41 ou au quadrillage 44. De préférence, ces ouvertures 51 seront symétriques de celles du racleur 4, c'est-à-dire que si le racleur 4 a une fente 41 , le système d'aspiration aussi, si le racleur a un quadrillage 44, le système d'aspiration a le même.
[0039] Nous allons maintenant décrire le fonctionnement du racleur 4. Il se déplace de la position de départ et coulisse jusqu'à la position d'arrivée, sa lame 45 située sur la dernière couches 30 va araser le lit de poudres 7 au fur et à mesure de l'avancement du racleur 4. Le rayon laser 23 va fondre la poudre dans la zone de fusion 71 selon un dessin prédéterminé, la zone de fusion 71 va progresser en même temps que le rayon laser 23 et le racleur 4. Pendant son déplacement, le racleur 4 va souffler en continu du gaz en un flux secondaire 50 près du lit de poudres 7, car la fusion émet des particules 70 qu'il faut éloigner de la zone de fusion 71.
[0040] Si le racleur 4 est équipé d'une système d'aspiration 40, celui-ci va aspirer le gaz soufflé par le racleur avec les particules 70 et ceci tout au long de l'avancement du racleur 4. [0041] Il est possible d'intervertir le sens du flux secondaire 50, dans ce cas le racleur 4 va aspirer le gaz tandis que le système d'aspiration 40 sera remplacé par un système de soufflage. Il est également possible de prévoir que le système d'aspiration et le racleur sont réversibles, c'est-à-dire que les ouvertures 51 du système d'aspiration 40 peuvent souffler du gaz et que la sortie de gaz 46 peut également aspirer du gaz.

Claims

REVENDICATIONS
[Revendication 1] Machine de fabrication additive (1) comprenant un racleur (4) disposé sur un support (3), le racleur (4) se déplaçant entre une position de départ et une position d'arrivée sur ledit support (3), le racleur (4) comprenant au moins une sortie de gaz (46) orientée vers le support (3) et vers l'arrière lors de son déplacement de la position de départ à la position d'arrivée, caractérisée en ce que la sortie de gaz (46) est constituée d'un quadrillage (44) orientable.
[Revendication 2] Machine de fabrication additive (1) selon la revendication 1, caractérisée en ce que le racleur (4) comprend un système d'aspiration (40) de gaz disposé en vis-à-vis la sortie de gaz (46) du racleur (4) et se déplaçant avec lui.
[Revendication 3] Machine de fabrication additive (1) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que le système d'aspiration (40) de gaz est réversible et que la sortie de gaz (46) peut également aspirer du gaz.
[Revendication 4] Machine de fabrication additive (1) selon une des revendications 2 ou 3, caractérisée en ce que le racleur (4) et le système d'aspiration (40) sont distants d'une distance d strictement comprise entre 1 et 10cm.
[Revendication 5] Machine de fabrication additive (1) selon une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la sortie de gaz (46) est constituée d'une fente (41) parallèle à la surface du support (3).
[Revendication 6] Machine de fabrication additive (1) selon une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le quadrillage (44) est constitué de lamelles (441) orientables individuellement.
[Revendication 7] Procédé d'écoulement gazeux sur la surface d'une pièce réalisée par une machine de fabrication additive (1 ) selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un flux gazeux (50) supplémentaire est généré par le racleur (4) à proximité d'une zone de fusion.
[Revendication 8] Procédé d'écoulement gazeux selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la vitesse du gaz est comprise entre 0,1 et 10m/s.
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