WO2022096819A1 - Nettoyage d'un élément optique d'un dispositif de fabrication additive - Google Patents

Nettoyage d'un élément optique d'un dispositif de fabrication additive Download PDF

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WO2022096819A1
WO2022096819A1 PCT/FR2021/051933 FR2021051933W WO2022096819A1 WO 2022096819 A1 WO2022096819 A1 WO 2022096819A1 FR 2021051933 W FR2021051933 W FR 2021051933W WO 2022096819 A1 WO2022096819 A1 WO 2022096819A1
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optical element
power electrode
plasma
additive manufacturing
electrode
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PCT/FR2021/051933
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Tiberiu Minea
Gilles WALRAND
Charles BALLAGE
Vinicius ANTUNES
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Addup
Centre National De La Recherche Scientifique (Cnrs)
Universite Paris-Saclay
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Publication date
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Definitions

  • TITLE Cleaning an optical element of an additive manufacturing device
  • the invention generally relates to the field of cleaning an optical element in an aggressive environment leading to the deposition of a thin surface layer, in particular of metal.
  • the proposed method applies in particular to metal additive manufacturing by electron beam or selective low-pressure laser melting.
  • High-energy additive manufacturing consists of producing three-dimensional objects by consolidating selected areas on successive strata of powdery material (metal powder, ceramic powder).
  • the consolidated zones correspond to successive sections of the three-dimensional object.
  • the consolidation is done, layer by layer, by a total or partial selective fusion carried out with a source of consolidation.
  • This source is conventionally a radiation source (for example a high-power laser beam) or even a particle beam source (for example an electron beam - so-called EBM technology or "Electron Beam Melting" according to the Anglo-Saxon terminology generally used in the field).
  • the vapor resulting from the heated solid thus formed has a strong capacity to deposit (condensation) on any solid material with which this vapor comes into contact, and in particular on all metals but also on dielectric materials (ceramics, glass, plastic, etc.) or semiconductors (silicon, germanium, gallium arsenide, etc.).
  • the resulting deposits are particularly harmful. They indeed lead to the formation, on the optical elements inside the manufacturing enclosures (lenses, camera optics, etc.) of thin layers which can make it opaque for wavelengths ranging from ultraviolet to infrared when the thickness of the deposit exceeds 30 n.
  • the formation of a deposit is all the greater at low pressure because the mean free path of the species is then very large, or even comparable with the dimensions of the enclosure of the machine.
  • An object of the invention is to remedy the aforementioned drawbacks.
  • Another object of the invention is to propose a method for cleaning an optical element, which can be implemented at low pressure, independently of the material constituting the surface, which is effective and does not damage the surface to be cleaned. .
  • an additive manufacturing machine comprising:
  • sources of energy beams configured to selectively scan the powder bed and consolidate it
  • optical element fixed in the enclosure and made of a material transparent to electromagnetic waves, the optical element having a first surface on which a deposit resulting from vaporization of the powder bed is likely to form and a second surface, opposite the first surface;
  • a system for cleaning the first surface of the optical element comprising a plasma generator, the plasma generator comprising a power electrode, placed opposite the second surface of the optical element, and an electrode mass configured to generate a plasma by capacitive coupling near the first surface.
  • the plasma generator may include a radio frequency generator and a surface area of the power electrode is less than a surface area of the ground electrode to generate a self-bias voltage at the power electrode
  • the power electrode is mounted to move relative to the enclosure between a cleaning configuration, in which the power electrode is positioned facing the second surface and a retracted configuration, in which the electrode of power is shifted with respect to the deposit;
  • the first surface of the optical element is at least twice as large as an active surface of the power electrode, the optical element being mobile relative to the power electrode;
  • the power electrode is fixed relative to the enclosure
  • the first surface of the optical element is at least four times larger than the active surface of the power electrode, which the optical element being mobile in rotation about an axis with respect to the power electrode, the power electrode being offset with respect to the axis;
  • the additive manufacturing machine further comprises a plasma confinement chamber positioned on the side of the first surface of the optical element and mounted fixed relative to the power electrode so as to confine the plasma at the level of a zone the first surface facing the power electrode;
  • the additive manufacturing machine further comprises a magnetic trap mounted, fixed or mobile, relative to the optical element and positioned close to the first surface.
  • the additive manufacturing machine further comprises an impedance adapter configured to monitor an impedance of the plasma generator and, optionally, to control the plasma generator as a function of the measured impedance; and or
  • the enclosure is grounded and serves as a ground electrode.
  • the invention proposes a system for cleaning an additive manufacturing machine according to the first aspect, comprising a plasma generator, the plasma generator comprising a power electrode, configured to be placed opposite vis the second surface of the optical element, and a ground electrode configured to generate a plasma by capacitive coupling near the first surface.
  • the plasma generator may comprise a radio frequency generator and a useful surface of the power electrode is less than a useful surface of the ground electrode in order to generate a self-biasing voltage at the level of the power electrode.
  • the cleaning system further comprises a magnetic trap mounted fixed or movable relative to the optical element and positioned close to the first surface; and or
  • the cleaning system further comprises an impedance adapter configured to monitor an impedance of the plasma generator and, optionally, to control the plasma generator according to the measured impedance.
  • the invention proposes a method for cleaning an optical element of an additive manufacturing machine according to the first aspect comprising the following steps:
  • the method further comprises the following steps: S3: monitoring of a plasma impedance; and S4: when a variation in the impedance exceeds a predetermined threshold, interruption of the power supply to the power electrode and/or displacement of one of the deposition electrode and the optical element;
  • step S1 the power electrode is moved relative to the optical element so as to position it at the level of the deposit;
  • step S1 the optical element is moved relative to the power electrode so as to position the deposit at the level of the power electrode;
  • the optical element is moved by rotation around an axis
  • the optical element has a surface approximately at least twice as large as an active surface of the power electrode and the optical element performs a fraction of a turn on each movement, for example the surface of the optical element is four times larger and the optical element performs a quarter turn with each movement.
  • FIG. 1a schematically illustrates an embodiment of an additive manufacturing device according to a first embodiment of the invention, the cleaning system being in the retracted configuration during additive manufacturing;
  • FIG. 1b schematically illustrates the embodiment of FIG. 1a, the cleaning system being in the cleaning configuration
  • FIG. 2a is a schematic side view of a first exemplary embodiment of an additive manufacturing device according to a second embodiment of the invention.
  • FIG. 2b is a schematic top view of a second embodiment of an additive manufacturing device according to the second embodiment of the invention.
  • FIG. 3 is a flowchart representing the steps of an exemplary embodiment of a cleaning method according to the invention.
  • An additive manufacturing machine includes an enclosure under vacuum, under primary vacuum, or at lower pressures.
  • the pressure in the enclosure can range from 10.3 to 10 mbar approximately.
  • an additive manufacturing machine 1 comprises:
  • a tool such as a squeegee or a roller, which moves in translation on the powder bed to spread the powder;
  • an optical element 4 placed in the enclosure 2 or in an opening provided in a wall of the enclosure 2, between the source(s) of energy beams 20 and the powder bed 3a on the plate 30.
  • the optical element 4 is made of a material transparent to electromagnetic waves and has a first surface 5 placed facing the bed of powder 3a and a second surface 6 opposite the first surface 5.
  • the optical element 4 is made of a material transparent to electromagnetic waves and has a first surface 5 placed facing the bed of powder 3a and a second surface 6 opposite the first surface 5.
  • particles 3b are likely to form a deposit 7 on the first surface 5 (or “surface to be cleaned 5”) of the optical element 4.
  • this undesirable deposit 7 can make the optical element 4 opaque and block production by preventing the passage of the beam 20 to the plate 30 where the powder bed 3a is located.
  • the second surface 6 (or “clean surface 6”) is located on the side of the source or sources of energy beams 20 .
  • the optical element 4 is made of glass and is therefore transparent to electromagnetic waves whose wavelength corresponds to those of visible light, infrared rays and ultraviolet rays. For example, when it is crossed by a laser beam, the optical element 4 must offer a transparency of at least 99.99% at the wavelength of this beam. This is however not limiting, the optical element 4 being able to be transparent for electromagnetic waves having any other wavelength, such as radio waves or even radar for example.
  • the optical element 4 can comprise glass (SiC>2) (which is transparent to visible radiation), fused silica, quartz, potassium bromides (which are transparent to ultraviolet radiation ), silicon, germanium, silicon carbide (which are transparent to infrared radiation), dielectric ceramics (Al2O3, BN, ZrN, etc., which are transparent to radio/radar waves).
  • the optical element 4 can in particular be dielectric, if necessary metallized.
  • the additive manufacturing machine 1 further comprises a system 8 for cleaning the surface to be cleaned 5 of the optical element 4 comprising a plasma generator 11 .
  • the plasma generator 11 comprises for this purpose a power electrode 9 placed facing the clean surface 6 of the optical element 4 and a ground electrode 10 which are configured to generate a plasma 11 by capacitive coupling to close to the surface to be cleaned 5.
  • a plasma 11 - that is to say a medium made up of a mixture of molecules of atoms and ions most often in excited states, as well as electrons, the whole being electrically neutral and particles having in the majority of cases a high kinetic energy - develops near the surface to be cleaned 5 of the optical element 4 and erodes the deposit 7 present on this surface. It is therefore a mechanical cleaning carried out on the scale of atoms, ions and electrons and other species activated by the plasma.
  • the cleaning system 8 thus makes it possible to clean the deposit 7 formed on the surface to be cleaned 5 of the optical element 4, whatever its composition.
  • the deposits 7 liable to be eroded by the plasma 11 can comprise at least one of the following materials: metal, a metal compound (such as metal oxides and nitrides, selenides, sulphides, etc.), a carbon-based material (graphite, carbon black, hydrogenated amorphous carbon, adamantine carbon, etc.), a silicon-based material or even a III-V compound (such as ammonium nitride, boron nitride or else gallium arsenide).
  • the cleaning system 8 is compatible with the secondary vacuum as well as the primary vacuum and can be implemented at pressures comprised between 10' 3 mbar and around 10 mbar.
  • the power electrode 9 is placed, using for example a translation or rotation system 17, against the clean surface 6 of the optical element 4, that is to say in contact with it. In this way, the plasma 11 develops at the level of the surface to be cleaned 5.
  • the power electrode 9 can be placed at a short distance from the clean surface 6 of the optical element 4.
  • the distance between the power electrode 9 and the clean surface 6 is then chosen so as to guarantee that the plasma 11 is generated at the level of the surface to be cleaned 5, and not at the level of the clean surface 6.
  • a maximum distance between the power electrode 9 and the optical element 4 is at most equal to 1 mm .
  • the power electrode 9 can have any shape suitable for cleaning the optical element 4.
  • the power electrode 9 can be circular, parallelepipedal (for example rectangular), etc. and can be flat or curved so as to best match the size and shape of the optical element 4.
  • the power electrode 9 is also flat.
  • Power electrode 9 is made of an electrically conductive material, such as metal, and is insulated from ground.
  • the power electrode 9 can be placed in a guard electrode 12, such as a metal sheath, which can be floating or connected to ground and is configured to accelerate the ions and allow the bombardment of the deposit 7
  • a guard electrode 12 is sized so that a distance between the guard electrode 12 and the power electrode 9 is as small as possible, so that the plasma 11 develops only at the level of the surface to be cleaned. 5 of optical element 4.
  • the plasma generator 11 further comprises a control unit configured to control an electric power source 13.
  • the power source is configured to supply the power electrode 9 in order to form the plasma 11 with a voltage greater than several kV. If necessary, the voltage can be bipolar.
  • the electric power source 13 comprises at least one of a radio frequency generator, a high frequency generator and an alternating pulse generator. In this way, even when the deposit 7 which forms on the surface to be cleaned 5 of the optical element 4 comprises a metallic material, the current generated between the power electrode 9 and the ground electrode 10 manages to cross the deposit 7 during transient phases of the excitations to form the plasma 11 at the level of the surface to be cleaned 5.
  • the plasma generator 11 also includes a gas source 14, configured to inject a gas into the enclosure 2 and thus allow the generation of the plasma 11.
  • the gas comprises a rare gas (i.e. an inert or at least very slightly reactive gas), typically comprising at least one of the following elements: argon, neon, helium, krypton or xenon, so that the cleaning of the deposit 7 is carried out independently of the chemical nature of the material.
  • the plasma 11 is therefore capable of cleaning any type of deposit 7 on the surface 5 to be cleaned.
  • the erosion of the deposit 7 is therefore purely mechanical.
  • the gas can comprise a molecular gas, for example comprising at least one of the following elements: oxygen, nitrogen, chlorine, fluorine, etc. In this case, it is possible, depending on the composition of the deposit 7, that the plasma 11 reacts chemically with the deposit 7, which can accelerate the erosion of the deposit 7 or possibly slow it down, without however preventing it.
  • the gas used for manufacturing can also be used for generating plasma 11 .
  • the gas source of the additive manufacturing machine 1 can be used as the gas source 14 of the plasma generator 11 .
  • a separate gas source 14 can be added, for example to inject a rare gas.
  • the gas source 14 takes for example the form of a gas inlet positioned in the enclosure 2 close to the area to be cleaned of the optical element 4.
  • the additive manufacturing machine 1 then comprises also a gas outlet, positioned close to the surface to be cleaned 5 and connected to a pump, in order to suck the gas injected by the gas source 14 of the gas generator once the deposit 7 has been eroded by the plasma 11.
  • a source of gas 14 is then added to the additive manufacturing machine 1 in order to inject the gas close to the surface to be cleaned 5 to allow the formation of the plasma 11 and vacuum it once the cleaning is done.
  • the flow rate of the gas injected is chosen as a function of the initial pressure in the enclosure 2 so as to minimize the time to reach the optimum condition for the creation of the plasma (the faster the flow rate, the more the gas possibly present in enclosure 2 is diluted).
  • the enclosure 2 of the additive manufacturing machine 1 may be metallic and plays the role of the ground electrode 10 in the formation of the plasma 11.
  • the cleaning system 8 then does not necessarily comprise a ground electrode 10, in more than 2 metal enclosure.
  • the enclosure 2 of the additive manufacturing machine 1 can be made of a dielectric material, for example plastic: a ground electrode 10 is then placed in the enclosure 2, close to the surface to be cleaned 5 of machine 1 .
  • the useful surface of the power electrode 9 is less than the useful surface of the ground electrode 10.
  • useful surface of an electrode it will be understood here the surface of the electrode which does not is not protected by the counter-electrode, and through which the electrical power applied can make its way to ground.
  • the total current measured being a function of the useful surface of the electrode and of the current density, a negative voltage called self-bias ('self bias' in English) and continuous is self-generated at the level of the power electrode 9 when a discharge plasma is created.
  • This negative voltage attracts the positive ions from the plasma, thus inducing a weak ion bombardment.
  • the power electrode 9 being placed opposite the optical element 4, and preferably against or at a very short distance from the latter, the negative voltage makes it possible to accelerate the ions of the plasma 11 and to increase the rate of erosion of the deposit 7.
  • enclosure 2 when enclosure 2 is used as ground electrode 10, the area of power electrode 9 is small compared to the area of ground electrode 10, so that a self-bias voltage is created. which improves the effectiveness of physico-chemical cleaning by plasma 11.
  • the cleaning system 8 can also comprise a magnetic trap 15 in order to increase the efficiency of erosion of the deposit 7 by the plasma 11 .
  • the cleaning system 8 can for example comprise permanent magnets and/or electromagnets placed close to the surface to be cleaned 5.
  • the magnetic field thus generated not being homogeneous, the magnetic trap 15 can possibly be moved with respect to the surface to be cleaned 5, for example set in rotation, so as to obtain a homogeneous erosion of the deposit 7.
  • This variant embodiment can in particular be advantageous when the rate of formation of the deposit 7 is greater than the rate of erosion by plasma 11.
  • the cleaning system 8 further comprises an impedance matcher 16 of the circuit configured to provide a resistive load for the electrical power source 13, thus reducing the power losses (reflected power).
  • the complete erosion of the deposit 7 on the surface to be cleaned 5 is accompanied by a change in the impedance of the assembly formed by the power electrode 9, the optical element 4, the deposit 7 and of the plasma 11. Consequently, the monitoring of the impedance makes it possible to detect a change in impedance of this assembly and therefore the complete erosion of the deposit 7, which makes it possible to stop the cleaning process and to preserve the window the action of the ions which could damage it if the plasma 11 operated permanently, even in the absence of deposit 7.
  • the impedance adapter 16 is configured to automatically determine a variation in the impedance that exceeds a predetermined threshold and allows the control unit to send a stop instruction to the electrical power source 13 of the power electrode 9 in order to stop the generation of the plasma 11.
  • the plasma generator 11 also necessarily comprises a control unit with a feedback loop on the radio frequency generator.
  • this control unit can then serve as an impedance adapter 16 in order to detect the variations in impedance and if necessary allow the control unit to block the supply of the power electrode 9.
  • Power electrode 9 can be mounted to move relative to optical element 4 between a cleaning configuration, in which power electrode 9 is positioned facing second surface 6 (Fig. 1 b ), at the level of the deposit 7 to be cleaned, and a retracted configuration, in which the power electrode 9 is offset with respect to the deposit 7 (FIG. 1a) in order to allow the smooth running of the additive manufacturing (by releasing the passage for the energy beam or beams 20 of the machine 1).
  • the displacement of the power electrode 9 is carried out by an actuator which is controlled by the control unit.
  • the useful surface of the power electrode 9 can be substantially equal to the surface to be cleaned 5 of the optical element 4. In this way, it is not necessary to move the power electrode 9 during the cleaning phase of the surface to be cleaned 5.
  • the power electrode 9 can be offset with respect to the deposit 7 by translation along a direction parallel to the clean surface 6 of the optical element 4 (FIG. 1b, along the arrows 17) or by withdrawal, by spacing the power electrode 9 so as to place it at a distance from the optical element 4.
  • the retraction movement is chosen in particular according to the space available and the possible size of the machine 1 .
  • the optical element 4 can be movable relative to the power electrode 9, which remains fixed relative to the enclosure 2.
  • the clean surface 6 of the optical element 4 is at least twice as large as the active surface of the power electrode 9. In this way, a part of the optical element 4 can be cleaned while the other part of the optical element 4 is traversed by the beam or beams 20 of energy (see for example Figs 2a and 2b).
  • the optical element 4 can be mounted so as to be able to rotate around an axis X which is substantially normal to the clean surface 6 of the optical element 4.
  • an actuator can then rotating the optical element 4 around its axis X in order to place the portion of the optical element 4, which has just been cleaned, facing the beam(s) 20 of energy, while the portion which was previously traversed by this (these) beam(s) and whose first surface 5 is covered at least partially with a deposit 7 is brought face to face with the power electrode 9.
  • the cleaning system 8 may further comprise a confinement enclosure 18, housed in the enclosure 2 so as to be positioned on the side of the surface to be cleaned 5 of the optical element 4 and configured to confining the plasma 11 during the cleaning step.
  • the containment enclosure 18 can in particular be mounted fixed relative to the power electrode 9 so as to isolate the plasma 11 at the level of the zone of the optical element 4 located opposite the power electrode 9.
  • a separation wall 19 can be placed on the clean surface 6 so as to separate the portion of the optical element 4 which is traversed by the beam(s) 20 of energy from the portion of the optical element 4 which is cleaned by power electrode 9. Wall 19 is then fixed relative to enclosure 2, and in particular does not rotate with optical element 4.
  • the useful surface of the power electrode 9 is substantially equal to a quarter of the surface of the optical element 4.
  • the optical element 4 comprises a flat disk.
  • the useful surface of the power electrode 9 can therefore be substantially planar and have, for example, the shape of a disk, the diameter of which is substantially equal to the radius of the disk or of a sector of a disk, the surface of which is equal to a quarter of the surface of the optical element 4.
  • the electrode is circular.
  • This first surface 5 is cleaned in such a way continuous, by quarter of surface.
  • a first quarter of the surface 21 of the optical element 4 is placed facing the energy beam(s) 20 thus receiving the deposit 7 due to the evaporation produced by additive manufacturing
  • a second quarter surface 22 of the optical element 4 which is immediately adjacent to the first quarter surface 21, comprises a deposit 7 on the surface 5 to be cleaned
  • the second quarter surface 22 is therefore in a waiting area for cleaning while the fourth quarter surface 24 is in a waiting area for use, before receiving the beam(s) 20 of energy.
  • the first 21, second 22, third 23 and fourth 24 surface quarters are moved by quarter turn according to a frequency which can be regular and which is determined according to the rate of formation of the deposit 7 on the surface 5 to be cleaned.
  • a separation wall 19 (here, a bent wall) is also placed around the portion which is traversed by the energy beam(s) 20 in order to prevent a deposit 7 from forming in the waiting areas for cleaning and use.
  • the dividing wall 19 is at the level of the first quarter of the surface 21.
  • Cleaning and deposition 7 can then be carried out as follows.
  • the first quarter of surface 21 is used to allow the energy beam(s) 20 to pass in order to achieve selective melting on the powder bed 3 placed on the mobile plate 30.
  • a deposit 7 is formed on the face 5 of the window 4.
  • the third quarter surface 23 is facing the power electrode 9.
  • a plasma 11 is then generated by the plasma generator 11, and possibly confined in the containment enclosure 18, with a view to eroding the deposit 7 previously formed on the surface to be cleaned (when the third quarter of the surface 23 was in position of the current surface 21 and let the energy beam(s) 20 for consolidation of a layer of powder in additive manufacturing).
  • the control unit controls the actuator so as to rotate the optical element 4 by a quarter turn.
  • the second quarter surface 22 then comes face to the power electrode 9 with a view to its cleaning by the plasma 11 while the first quarter surface 21, whose surface to be cleaned 5 is covered with a deposit 7, takes the place of the second quarter surface 22, between the electrode and the useful zone receiving the beam(s) 20 of energy.
  • the third quarter surface 23 is clean (devoid of deposit 7) and comes into a standby configuration before use, instead of the fourth quarter surface 24 which comes under the beam(s) ( x), within the area delimited by the wall 19.
  • the first and second steps are then repeated several times until the additive manufacturing process is completed.
  • the generation of the plasma 11 and the erosion can be carried out continuously, since the optical element 4 is set in rotation as soon as the deposit 7 is eliminated from its surface to be cleaned 5. Moreover, if the speed d erosion by the plasma 11 of the deposit 7 is equal to the rate of formation of the deposit 7, the additive manufacturing process can also be carried out continuously.
  • the additive manufacturing machine 1 can further comprise a magnetic trap 15, placed in the containment enclosure 18, in order to accelerate the erosion of the deposit 7.
  • the control unit can stop the supply of the source electric power 13 until the optical element 4 is rotated a quarter turn. Once the optical element 4 has been rotated, the control unit can control the power supply to the power electrode 9 in order to generate a new plasma 11 and clean the surface to be cleaned 5 located in the second quarter surface 22 of the optical element 4.
  • the rotation of the optical element 4 is sequential, so that the deposit 7 has a substantially uniform thickness.
  • the useful surface of the power electrode 9 can be equal to a fraction of the surface of the optical element 4 which differs from a quarter.
  • the cleaning system 8 can also operate if the useful surface of the electrode is substantially equal to one third of the surface of the optical element 4 and if the rotation is done by third of a turn (and not by quarter of a turn) .
  • the surfaces 21, 22, 23, 24 can be arranged so as to form a faceted truncated cone and thus present an angle between them.
  • the axis of rotation X can be placed at the top of the truncated cone and form an angle of 45° with the cleaning system 8, which is itself placed perpendicular to the direction of the beams 20 of energy.
  • both the optical element 4 and the power electrode 9 are mounted so as to move relative to the enclosure 2.
  • the control unit may in particular comprise a computer of the processor, microprocessor, microcontroller, etc. type, configured to execute instructions and control the electrical power source 13 and, where applicable, the means for moving the power electrode 9 with respect to the enclosure 2 and/or the means for moving the optical element 4 (typically, by rotation) with respect to the power electrode 9.
  • the cleaning of an optical element 4 of an additive manufacturing machine 1 can then be carried out in accordance with the following steps:
  • step S1 can be performed either by moving the power electrode 9 relative to the optical element 4, which is fixed, so as to position it facing the deposit 7 to be eroded, or by moving the optical element 4 (for example by rotation) relative to the deposition electrode 7.
  • both the deposition electrode 7 and the optical element 4 are movable in the enclosure 2.
  • the method further comprises steps of monitoring an impedance of the plasma 11 (step S3) and of interrupting the supply of the power electrode 9 when a variation of the impedance exceeds a predetermined threshold (step S4) and/or displacement of one of the power electrode 9 with respect to the optical element 4.

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Abstract

La présente invention concerne une machine (1) de fabrication additive, comprenant : une enceinte (2); une source de faisceaux (20) d'énergie configurées pour balayer sélectivement un lit de poudre (3a) et le consolider; un élément optique (4) fixé dans l'enceinte (2) et réalisé dans un matériau transparent aux ondes électromagnétiques, l'élément optique (4) présentant une surface (5) sur laquelle un dépôt (7) issu d'une vaporisation du lit de poudre (3a) est susceptible de se former; et un système de nettoyage (8) de la surface (5) de l'élément optique (4) comprenant un générateur de plasma (11), le générateur de plasma (11) comprenant une électrode de puissance (9), placée en vis-à-vis d'une surface opposée (6) de l'élément optique, (4) et une électrode de masse (10) configurées pour générer un plasma (11) par couplage capacitif à proximité de la première surface (5).

Description

DESCRIPTION
TITRE : Nettoyage d’un élément optique d’un dispositif de fabrication additive
DOMAINE DE L'INVENTION
L’invention concerne de manière générale le domaine du nettoyage d’un élément optique dans un environnement agressif conduisant à un dépôt d’une couche mince en surface, notamment métallique. La méthode proposée s’applique en particulier à la fabrication additive métallique par faisceau d’électrons ou encore la fusion sélective par laser à basse pression.
ETAT DE LA TECHNIQUE
Plusieurs procédés de dépôt de couche mince existent actuellement. On pourra notamment citer, de manière non limitative, la fabrication additive sélective, l’évaporation sous vide par voie thermique ou par faisceau d’électrons, la pulvérisation, ou encore la fabrication additive métallique.
La fabrication additive haute énergie consiste à réaliser des objets tridimensionnels par consolidation de zones sélectionnées sur des strates successives de matériau pulvérulent (poudre métallique, poudre de céramique). Les zones consolidées correspondent à des sections successives de l'objet tridimensionnel. La consolidation se fait, couche par couche, par une fusion sélective totale ou partielle réalisée avec une source de consolidation. Cette source est classiquement une source de rayonnement (par exemple un faisceau laser de forte puissance) ou encore une source de faisceau de particules (par exemple un faisceau d'électrons - technologie dite EBM ou « Electron Beam Melting » selon la terminologie anglo- saxonne généralement utilisée dans le domaine).
Dans les procédés de fabrication additive métallique, la vapeur, à l’état atomique ou sous forme d’amas d’atomes allant jusqu’à la poudre (également appelés « clusters » ou agrégats en français), est produite par la vaporisation de la surface sous l’effet de l’énergie apportée par le faisceau primaire (électrons ou laser) intense. Cette vapeur est essentiellement neutre, car le processus d’évaporation a lieu, en général, à l’équilibre thermodynamique.
La vapeur issue du solide chauffé ainsi constituée a une forte capacité à se déposer (condensation) sur tout matériau solide avec lequel cette vapeur entre en contact, et en particulier sur tous les métaux mais également sur les matériaux diélectriques (céramiques, verre, plastique, etc.) ou semi-conducteurs (silicium, germanium, arséniure de gallium, etc.).
Les dépôts qui en résultent sont particulièrement néfastes. Ils conduisent en effet à la formation, sur les éléments optiques à l’intérieur des enceintes de fabrication (lentilles, optiques de caméras, etc...) de couches minces qui peuvent la rendre opaque pour des longueurs d’ondes allant de l’ultraviolet à l’infrarouge lorsque l’épaisseur du dépôt dépasse 30 nm. La formation d’un dépôt est d’autant plus importante à basse pression car le libre parcours moyen des espèces est alors très grand, voir comparable avec les dimensions de l’enceinte de la machine.
Afin de nettoyer ces dépôts, lorsque la surface à nettoyer est en céramique, il est connu de mettre en oeuvre des méthodes mécaniques de sablage ou de grenaillage. Toutefois, ces méthodes mécaniques ne peuvent pas être utilisées sur des verres transparents au rayonnement dans la mesure où elles génèrent des piqûres et finissent pas dépolir le verre.
Il a également été proposé d’utiliser d'appliquer une solution chimique sur la surface à nettoyer, telle qu’une solution acide du type eau régale. Cette méthode chimique est très performante pour dissoudre les métaux sans attaquer le verre. Toutefois, elle est incompatible avec un traitement in situ dans un environnement basse pression ou le vide, et plus généralement avec les procédés par voie sèche.
EXPOSE DE L'INVENTION
Un but de l’invention est de remédier aux inconvénients précités.
Un autre but de l’invention est de proposer une méthode de nettoyage d’un élément optique, qui puisse être mise en oeuvre à basse pression, indépendamment du matériau constitutif de la surface, qui soit efficace et n’endommage pas la surface à nettoyer.
Il est à cet effet proposé, selon un premier aspect de l’invention, une machine de fabrication additive, comprenant :
- une enceinte ;
- un plateau mobile placé dans l’enceinte et sur lequel est placé un lit de poudre ;
- une ou plusieurs sources de faisceaux d’énergie configurées pour balayer sélectivement le lit de poudre et le consolider ;
- un élément optique fixé dans l’enceinte et réalisé dans un matériau transparent aux ondes électromagnétiques, l’élément optique présentant une première surface sur laquelle un dépôt issu d’une vaporisation du lit de poudre est susceptible de se former et une deuxième surface, opposée à la première surface ; et
- un système de nettoyage de la première surface de l’élément optique comprenant un générateur de plasma, le générateur de plasma comprenant une électrode de puissance, placée en vis-à-vis de la deuxième surface de l’élément optique, et une électrode de masse configurées pour générer un plasma par couplage capacitif à proximité de la première surface.
Le générateur de plasma peut comprendre un générateur radiofréquence et une surface utile de l’électrode de puissance est inférieure à une surface utile de l’électrode masse afin de générer une tension d’autopolarisation au niveau de l’électrode de puissance Certaines caractéristiques préférées mais non limitatives de la machine de fabrication additive selon le premier aspect sont les suivantes, prises individuellement ou en combinaison :
- l’électrode de puissance est montée mobile par rapport à l’enceinte entre une configuration de nettoyage, dans laquelle l’électrode de puissance est positionnée en vis-à-vis de la deuxième surface et une configuration escamotée, dans laquelle l’électrode de puissance est décalée par rapport au dépôt ;
- la première surface de l’élément optique est au moins deux fois plus grande qu’une surface active de l’électrode de puissance, l’élément optique étant mobile par rapport à l’électrode de puissance ;
- l’électrode de puissance est fixe par rapport à l’enceinte ;
- la première surface de l’élément optique est au moins quatre fois plus grande que la surface active de l’électrode de puissance, lequel l’élément optique étant mobile en rotation autour d’un axe par rapport à l’électrode de puissance, l’électrode de puissance étant décalée par rapport à l’axe ;
- la machine de fabrication additive comprend en outre une enceinte de confinement du plasma positionnée du côté de la première surface de l’élément optique et montée fixe par rapport à l’électrode de puissance de sorte à confiner le plasma au niveau d’une zone de la première surface se trouvant face à l’électrode de puissance ;
- la machine de fabrication additive comprend en outre un piège magnétique monté, fixe ou mobile, par rapport à l’élément optique et positionné à proximité de la première surface.
- la machine de fabrication additive comprend en outre un adaptateur d’impédance configuré pour surveiller une impédance du générateur de plasma et, optionnellement, pour commander le générateur de plasma en fonction de l’impédance mesurée ; et/ou
- l’enceinte est reliée à la masse et sert d’électrode de masse.
Selon un deuxième aspect, l’invention propose un système de nettoyage d’une machine de fabrication additive selon le premier aspect, comprenant un générateur de plasma, le générateur de plasma comprenant une électrode de puissance, configurée pour être placée en vis-à-vis de la deuxième surface de l’élément optique, et une électrode de masse configurée pour générer un plasma par couplage capacitif à proximité de la première surface.
Le générateur de plasma peut comprendre un générateur radiofréquence et une surface utile de l’électrode de puissance est inférieure à une surface utile de l’électrode masse afin de générer une tension d’autopolarisation au niveau de l’électrode de puissance
Certaines caractéristiques préférées mais non limitatives du système de nettoyage selon le deuxième aspect sont les suivantes, prises individuellement ou en combinaison : le système de nettoyage comprend en outre un piège magnétique monté fixe ou mobile par rapport à l’élément optique et positionné à proximité de la première surface ; et/ou
- le système de nettoyage comprend en outre un adaptateur d’impédance configuré pour surveiller une impédance du générateur de plasma et, optionnellement, pour commander le générateur de plasma en fonction de l’impédance mesurée.
Selon un troisième aspect, l’invention propose un procédé de nettoyage d’un élément optique d’une machine de fabrication additive selon le premier aspect comprenant les étapes suivantes :
51 : placement d’une électrode de puissance en vis-à-vis de la deuxième surface de l’élément optique ; et
52 : alimentation de l’électrode de puissance de sorte à générer un plasma par couplage capacitif à proximité de la première surface de sorte à éroder le dépôt formé sur la première surface de l’élément optique.
Certaines caractéristiques préférées mais non limitatives du procédé de nettoyage selon le troisième aspect sont les suivantes, prises individuellement ou en combinaison :
- le procédé comprend en outre les étapes suivantes : S3 : suivi d’une impédance du plasma ; et S4 : lorsqu’une variation de l’impédance dépasse un seuil prédéterminé, interruption de l’alimentation de l’électrode de puissance et/ou déplacement de l’un parmi l’électrode de dépôt et l’élément optique ;
- au cours de l’étape S1 , l’électrode de puissance est déplacée par rapport à l’élément optique de sorte à la positionner au niveau du dépôt ;
- au cours de l’étape S1 , l’élément optique est déplacé par rapport à l’électrode de puissance de sorte à positionner le dépôt au niveau de l’électrode de puissance ;
- l’élément optique est déplacé par rotation autour d’un axe ; et/ou
- l’élément optique présente une surface environ au moins deux fois plus grande qu’une surface active de l’électrode de puissance et l’élément optique effectue une fraction de tour à chaque déplacement, par exemple la surface de l’élément optique est quatre fois plus grande et l’élément optique effectue un quart de tour à chaque déplacement.
DESCRIPTION DES FIGURES
D’autres caractéristiques, buts et avantages de l’invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels : La figure 1 a illustre de façon schématique un exemple de réalisation d’un dispositif de fabrication additive conforme à un premier mode de réalisation de l’invention, le système de nettoyage étant en configuration escamotée pendant la fabrication additive ;
La figure 1 b illustre de façon schématique l’exemple de réalisation de la figure 1 a, le système de nettoyage étant en configuration de nettoyage ;
La figure 2a est une vue de côté schématique d’un premier exemple de réalisation d’un dispositif de fabrication additive conforme à un deuxième mode de réalisation de l’invention ;
La figure 2b est une vue de dessus schématique d’un deuxième exemple de réalisation d’un dispositif de fabrication additive conforme au deuxième mode de réalisation de l’invention.
La figure 3 est un organigramme représentant des étapes d’un exemple de réalisation d’un procédé de nettoyage conforme à l’invention.
Sur l’ensemble des figures, les éléments similaires portent des références identiques.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
Une machine de fabrication additive comprend une enceinte sous vide, sous vide primaire, ou à des pressions inférieures. Typiquement, la pression dans l’enceinte peut aller de 10'3 à 10 mbar environ.
Classiquement, une machine 1 de fabrication additive comprend :
- une enceinte 2 ;
- un plateau mobile 30 placé dans l’enceinte 2 et sur lequel est placé un lit de poudre 3a;
- une ou plusieurs sources de faisceaux 20 d’énergie commandées pour balayer sélectivement le lit de poudre 3a et le consolider ;
- un réservoir d’alimentation de poudre ;
- un outil, tel qu’une raclette ou un rouleau, qui se déplace en translation sur le lit de poudre pour étaler la poudre ; et
- un élément optique 4, placé dans l’enceinte 2 ou dans une ouverture prévue dans une paroi de l’enceinte 2, entre la ou les sources de faisceaux 20 d’énergie et le lit de poudre 3a sur le plateau 30.
L’élément optique 4 est réalisé dans un matériau transparent aux ondes électromagnétiques et présente une première surface 5 placée en regard du lit de poudre 3a et une deuxième surface 6 opposée à la première surface 5. Lors de la vaporisation du lit de poudre 3a pendant la phase de consolidation, des particules 3b sont susceptibles de former un dépôt 7 sur la première surface 5 (ou « surface à nettoyer 5 ») de l’élément optique 4. Or, à terme, ce dépôt 7 indésirable peut rendre l’élément optique 4 opaque et bloquer la fabrication en empêchant le passage du faisceau 20 jusqu’au plateau 30 où se trouve le lit de poudre 3a. Généralement, la deuxième surface 6 (ou « surface propre 6 ») quant à elle se trouve du côté de la ou des sources de faisceaux 20 d’énergie.
Habituellement, dans une machine 1 de fabrication additive, l’élément optique 4 est en verre et est donc transparent aux ondes électromagnétiques dont la longueur d’onde correspond à celles de la lumière visible, des rayons infrarouges et des rayons ultraviolets. Par exemple, lorsqu’il est traversé par un faisceau laser, l’élément optique 4 doit offrir une transparence d’au moins 99,99% à la longueur d’onde de ce faisceau. Ceci n’est cependant pas limitatif, l’élément optique 4 pouvant être transparent pour des ondes électromagnétiques présentant toute autre longueur d’onde, comment par exemple les ondes radio ou encore radar. A titre d’exemple non limitatif, l’élément optique 4 peut comprendre du verre (SiC>2) (qui est transparent au rayonnement visible), de la silice fondue, du quartz, des bromures de potassium (qui sont transparentes au rayonnement ultraviolet), du silicium, du germanium, du carbure de silicium (qui sont transparents au rayonnement infrarouge), des céramiques diélectriques (AI2O3, BN, ZrN, etc., qui sont transparentes aux ondes radio/radar).
L’élément optique 4 peut notamment être diélectrique, le cas échéant métallisé.
Afin de nettoyer l’élément optique 4, la machine 1 de fabrication additive comprend en outre un système de nettoyage 8 de la surface à nettoyer 5 de l’élément optique 4 comprenant un générateur de plasma 11 . Le générateur de plasma 11 comprend à cet effet une électrode de puissance 9 placée en vis-à-vis de la surface propre 6 de l’élément optique 4 et une électrode de masse 10 qui sont configurées pour générer un plasma 11 par couplage capacitif à proximité de la surface à nettoyer 5.
De la sorte, un plasma 11 - c’est-à-dire un milieu constitué d’un mélange de molécules d’atomes et d’ions le plus souvent dans des états excités, ainsi que d’électrons, l’ensemble étant électriquement neutre et les particules ayant dans la majorité des cas une grande énergie cinétique - se développe à proximité de la surface à nettoyer 5 de l’élément optique 4 et érode le dépôt 7 présent sur cette surface. Il s’agit donc d’un nettoyage mécanique réalisé à l’échelle des atomes, des ions et des électrons et autres espèces activées par le plasma.
Le système de nettoyage 8 permet ainsi de nettoyer le dépôt 7 formé sur la surface à nettoyer 5 de l’élément optique 4, quelle que soit sa composition. En particulier, les dépôts 7 susceptibles d’être érodés par le plasma 11 peuvent comprendre l’un au moins des matériaux suivants : du métal, un composé métallique (tels que les oxydes et nitrures métalliques, séléniures, sulfures, etc.), un matériau à base de carbone (graphite, noir de carbone, carbone amorphe hydrogéné, le carbone adamantin, etc.), un matériau à base de silicium ou encore un composé lll-V (tel le nitrure d’ammonium, le nitrure de bore ou encore l’arséniure de gallium).
De plus, un plasma 11 pouvant être créé sur une large gamme de pressions inférieures à la pression atmosphérique, le système de nettoyage 8 est compatible avec le vide secondaire comme le vide primaire et peut être mis en oeuvre à des pressions comprises entre 10'3 mbar et 10 mbar environ.
Il n’est en outre pas nécessaire de refroidir le système de nettoyage 8.
Dans une première forme de réalisation, et lors de la mise en oeuvre du nettoyage (Fig. 1 b), l’électrode de puissance 9 est placée, à l’aide par exemple d’un système de translation ou rotation 17, contre la surface propre 6 de l’élément optique 4, c’est-à-dire en contact avec celle-ci. De la sorte, le plasma 11 se développe au niveau de la surface à nettoyer 5.
En variante, l’électrode de puissance 9 peut être placée à une faible distance de la surface propre 6 de l’élément optique 4. La distance entre l’électrode de puissance 9 et la surface propre 6 est alors choisie de sorte à garantir que le plasma 11 soit généré au niveau de la surface à nettoyer 5, et non au niveau de la surface propre 6. Par exemple, une distance maximale entre l’électrode de puissance 9 et l’élément optique 4 est au plus égale à 1 mm.
L’électrode de puissance 9 peut présenter toute forme adaptée pour le nettoyage de l’élément optique 4. A cet effet, l’électrode de puissance 9 peut être circulaire, parallélépipédique (par exemple rectangulaire), etc. et peut être plane ou courbe de sorte à épouser au mieux la taille et la forme de l’élément optique 4. De préférence, lorsque la surface à nettoyer 5 est plane, l’électrode de puissance 9 est également plane.
L’électrode de puissance 9 est réalisée dans un matériau conducteur électrique, tel que du métal et est isolée de la masse.
Le cas échéant, l’électrode de puissance 9 peut être placée dans une électrode de garde 12, telle qu’une gaine métallique, qui peut être flottante ou raccordée à la masse et est configurée pour accélérer les ions et permettre le bombardement du dépôt 7. L’électrode de garde 12 est dimensionnée de sorte qu’une distance entre l’électrode de garde 12 et l’électrode de puissance 9 soit la plus faible possible, afin que le plasma 11 se développe uniquement au niveau de la surface à nettoyer 5 de l’élément optique 4.
Le générateur de plasma 11 comprend en outre une unité de commande configurée pour contrôler une source de puissance électrique 13.
La source de puissance est configurée pour alimenter l’électrode de puissance 9 afin de former le plasma 11 avec une tension supérieure à plusieurs kV. Le cas échéant, la tension peut être bipolaire. Dans une forme de réalisation, la source de puissance électrique 13 comprend l’un au moins parmi un générateur radiofréquence, un générateur haute fréquence et un générateur d’impulsions alternées. De la sorte, même lorsque le dépôt 7 qui se forme sur la surface à nettoyer 5 de l’élément optique 4 comprend un matériau métallique, le courant généré entre l’électrode de puissance 9 et l’électrode de masse 10 parvient à franchir le dépôt 7 lors des phases transitoires des excitations pour former le plasma 11 au niveau de la surface à nettoyer 5.
Le générateur de plasma 11 comprend également une source de gaz 14, configurée pour injecter un gaz dans l’enceinte 2 et permettre ainsi la génération du plasma 11 . Dans une forme de réalisation, le gaz comprend un gaz rare (c’est-à-dire un gaz inerte ou du moins très peu réactif), typiquement comprenant l’un au moins des éléments suivants : l’argon, du néon, de l’hélium, du krypton ou du xénon, de sorte que le nettoyage du dépôt 7 est réalisé indépendamment de la nature chimique de matériau. Le plasma 11 est donc capable de nettoyer tout type de dépôt 7 sur la surface à nettoyer 5. Dans cette forme de réalisation, l’érosion du dépôt 7 est donc purement mécanique. En variante, le gaz peut comprendre un gaz moléculaire, par exemple comprenant l’un au moins des éléments suivants : oxygène, azote, chlore, fluoré, etc. Dans ce cas, il est possible, selon la composition du dépôt 7, que le plasma 11 réagisse chimiquement avec le dépôt 7, ce qui peut accélérer l’érosion du dépôt 7 ou éventuellement la ralentir, sans toutefois l’empêcher.
On notera que, lorsque l’enceinte 2 comprend déjà un gaz, par exemple pour la réalisation du procédé de fabrication additive, le gaz utilisé pour la fabrication peut également être utilisé pour la génération du plasma 11 . Dans ce cas, la source de gaz de la machine 1 de fabrication additive peut être utilisée comme source de gaz 14 du générateur de plasma 11 . En variante, une source de gaz 14 distincte peut être ajoutée, par exemple pour injecter un gaz rare. Dans ce cas, la source de gaz 14 prend par exemple la forme d’une arrivée de gaz positionnée dans l’enceinte 2 à proximité de la zone à nettoyer de l’élément optique 4. Optionnellement, la machine 1 de fabrication additive comprend alors également une sortie de gaz, positionnée à proximité de la surface à nettoyer 5 et reliée à une pompe, afin d’aspirer le gaz injecté par la source de gaz 14 du générateur de gaz une fois le dépôt 7 érodé par le plasma 11.
Lorsque l’enceinte 2 est sous vide total ou partiel, une source de gaz 14 est alors ajoutée à la machine 1 de fabrication additive afin d’injecter le gaz à proximité de la surface à nettoyer 5 pour permettre la formation du plasma 11 et de l’aspirer une fois le nettoyage réalisé.
Dans tous les cas, le débit du gaz injecté est choisi en fonction de la pression initiale dans l’enceinte 2 de façon à minimiser le temps pour arriver à la condition optimale pour la création du plasma (plus le débit est rapide, plus le gaz éventuellement présent dans l’enceinte 2 est dilué). L’enceinte 2 de la machine 1 de fabrication additive peut être métallique et joue le rôle de l’électrode de masse 10 dans la formation du plasma 11. Le système de nettoyage 8 ne comprend alors pas nécessairement d’électrode de masse 10, en plus de l’enceinte 2 métallique. En variante, lorsque l’enceinte 2 de la machine 1 de fabrication additive peut être réalisée dans un matériau diélectrique, par exemple en matière plastique : une électrode de masse 10 est alors placée dans l’enceinte 2, à proximité de la surface à nettoyer 5 de la machine 1 .
Dans une forme de réalisation, la surface utile de l’électrode de puissance 9 est inférieure à la surface utile de l’électrode de masse 10. Par surface utile d’une électrode, on comprendra ici la surface de l’électrode qui n’est pas protégée par la contre-électrode, et par laquelle la puissance électrique appliquée peut se frayer un chemin vers la masse. Dans ce cas, le courant total mesuré étant fonction de la surface utile de l’électrode et de la densité de courant, une tension négative dite d’autopolarisation (‘self bias’ en anglais) et continue est auto-générée au niveau de l’électrode de puissance 9 lorsqu’un plasma de décharge se crée. Cette tension négative attire alors les ions positifs du plasma, induisant ainsi un faible bombardement ionique. Or, l’électrode de puissance 9 étant placée en vis-à-vis de l’élément optique 4, et de préférence contre ou à très faible distance de celui-ci, la tension négative permet d’accélérer les ions du plasma 11 et d’augmenter la vitesse d’érosion du dépôt 7.
Typiquement, lorsque l’enceinte 2 est utilisée comme électrode de masse 10, la surface de l’électrode de puissance 9 est faible en comparaison avec la surface de l’électrode de masse 10, de sorte qu’une tension d’autopolarisation est créée ce qui améliore l’efficacité du nettoyage physico-chimique par le plasma 11.
Optionnellement, le système de nettoyage 8 peut en outre comprendre un piège magnétique 15 afin d’augmenter l’efficacité d’érosion du dépôt 7 par le plasma 11 . A cet effet, le système de nettoyage 8 peut par exemple comprendre des aimants permanents et/ou des électroaimants placés à proximité de la surface à nettoyer 5. Le champ magnétique ainsi généré n’étant pas homogène, le piège magnétique 15 peut éventuellement être déplacé par rapport à la surface à nettoyer 5, par exemple mis en rotation, de sorte à obtenir une érosion homogène du dépôt 7. Cette variante de réalisation peut notamment être avantageuse lorsque la vitesse de formation du dépôt 7 est supérieure à la vitesse d’érosion par le plasma 11.
Lorsque le dépôt 7 comprend un matériau conducteur électrique, le système de nettoyage 8 comprend en outre un adaptateur d’impédance 16 du circuit configuré pour assurer une charge résistive pour la source de puissance électrique 13, réduisant ainsi les pertes de puissance (puissance réfléchie). En effet, l’érosion complète du dépôt 7 sur la surface à nettoyer 5 s’accompagne d’un changement de l’impédance de l’ensemble formé par l’électrode de puissance 9, de l’élément optique 4, du dépôt 7 et du plasma 11. Par conséquent, le suivi de l’impédance permet de détecter un changement d’impédance de cet ensemble et donc l’érosion complète du dépôt 7, ce qui permet d’arrêter le processus de nettoyage et de préserver la fenêtre de l’action des ions qui pourraient l’endommager si le plasma 11 fonctionnait en permanence, même en l’absence de dépôt 7.
Optionnellement, l’adaptateur d’impédance 16 est configuré pour déterminer de manière automatique une variation de l’impédance qui dépasse un seuil prédéterminé et permet à l’unité de commande d’envoyer une consigne d’arrêt à la source de puissance électrique 13 de l’électrode de puissance 9 afin d’arrêter la génération du plasma 11.
Lorsque la source de puissance électrique 13 comprend un générateur radiofréquence, le générateur de plasma 11 comprend en outre nécessairement une unité de contrôle avec boucle de rétroaction sur le générateur radiofréquence. Avantageusement, cette unité de contrôle peut alors servir d’adaptateur d’impédance 16 afin de détecter les variations d’impédance et le cas échéant permettre à l’unité de commande de bloquer l’alimentation de l’électrode de puissance 9.
L’électrode de puissance 9 peut être montée mobile par rapport à l’élément optique 4 entre une configuration de nettoyage, dans laquelle l’électrode de puissance 9 est positionnée en vis-à-vis de la deuxième surface 6 (Fig. 1 b), au niveau du dépôt 7 à nettoyer, et une configuration escamotée, dans laquelle l’électrode de puissance 9 est décalée par rapport au dépôt 7 (Fig. 1a) afin de permettre le bon déroulement de la fabrication additive (en libérant le passage pour le ou les faisceaux 20 d’énergie de la machine 1 ). Dans une forme de réalisation, le déplacement de l’électrode de puissance 9 est réalisé par un actionneur qui est contrôlé par l’unité de commande.
Dans cette forme de réalisation, la surface utile de l’électrode de puissance 9 peut être sensiblement égale à la surface à nettoyer 5 de l’élément optique 4. De la sorte, il n’est pas nécessaire de déplacer l’électrode de puissance 9 pendant la phase de nettoyage de la surface à nettoyer 5.
L’électrode de puissance 9 peut être décalée par rapport au dépôt 7 par translation suivant une direction parallèle à la surface propre 6 de l’élément optique 4 (Fig. 1 b, suivant les flèches 17) ou par retrait, en espaçant l’électrode de puissance 9 de sorte à la placer à distance de l’élément optique 4. Le mouvement d’escamotage est en particulier choisi en fonction de l’espace disponible et de l’encombrement possible pour de la machine 1 . En variante, l’élément optique 4 peut être mobile par rapport à l’électrode de puissance 9, qui reste fixe par rapport à l’enceinte 2.
Afin de permettre un nettoyage en continu, en parallèle du dépôt 7 de couche par fabrication additive dans l’enceinte 2 de la machine 1 , la surface propre 6 de l’élément optique 4 est au moins deux fois plus grande que la surface active de l’électrode de puissance 9. De la sorte, une partie de l’élément optique 4 peut être nettoyée pendant que l’autre partie de l’élément optique 4 est traversée par le ou les faisceaux 20 d’énergie (voir par exemple Figs. 2a et 2b).
Par exemple, l’élément optique 4 peut être monté mobile en rotation autour d’un axe X qui est sensiblement normal à la surface propre 6 de l’élément optique 4. Lorsque la surface à nettoyer 5 est propre, un actionneur peut alors faire tourner l’élément optique 4 autour de son axe X afin de placer la portion de l’élément optique 4, qui vient d’être nettoyée, face au(x) faisceau(x) 20 d’énergie, tandis que la portion qui était préalablement traversée par ce(s) faisceau(s) et dont la première surface 5 est recouverte au moins partiellement d’un dépôt 7 est amenée face à l’électrode de puissance 9.
Optionnellement, lorsqu’un gaz doit être injecté dans l’enceinte 2 pour générer le plasma 11 , par exemple lorsque l’enceinte 2 est sous vide total ou partiel ou que le gaz utilisé lors du procédé de dépôt par fabrication additive est différent du gaz utilisé pour générer le plasma 11 , le système de nettoyage 8 peut en outre comprendre une enceinte de confinement 18, logée dans l’enceinte 2 de sorte à être positionnée du côté de la surface à nettoyer 5 de l’élément optique 4 et configurée pour confiner le plasma 11 pendant l’étape de nettoyage. L’enceinte de confinement 18 peut notamment être montée fixe par rapport à l’électrode de puissance 9 de sorte à isoler le plasma 11 au niveau de la zone de l’élément optique 4 se trouvant face à l’électrode de puissance 9.
Par ailleurs, une paroi de séparation 19 peut être placée sur la surface propre 6 de sorte à séparer la portion de l’élément optique 4 qui est traversée par le(s) faisceau(x) 20 d’énergie de la portion de l’élément optique 4 qui est nettoyée par l’électrode de puissance 9. La paroi 19 est alors fixe par rapport à l’enceinte 2, et en particulier ne tourne pas avec l’élément optique 4.
Un exemple de réalisation est illustré en figure 2b. Dans cet exemple de réalisation, la surface utile de l’électrode de puissance 9 est sensiblement égale à un quart de la surface de l’élément optique 4. Ici, l’élément optique 4 comprend un disque plan. La surface utile de l’électrode de puissance 9 peut donc être sensiblement plane et présenter, par exemple, une forme de disque dont le diamètre est sensiblement égal au rayon du disque ou d’un secteur de disque dont la surface est égale au quart de la surface de l’élément optique 4. Dans l’exemple illustré sur la figure 2b, l’électrode est circulaire. Lors du procédé de dépôt par fabrication additive, toute la première surface 5 de l’élément optique 4, qui se trouve du côté de la source de matériau est susceptible d’être recouverte par un dépôt 7. Cette première surface 5 est nettoyée de manière continue, par quart de surface. En particulier, à tout moment : un premier quart de surface 21 de l’élément optique 4 est placé face au(x) faisceau(x) 20 d’énergie recevant ainsi le dépôt 7 dû à l’évaporation produite par fabrication additive ; un deuxième quart de surface 22 de l’élément optique 4, qui est immédiatement adjacent au premier quart de surface 21 , comprend un dépôt 7 sur la surface à nettoyer 5 ; un troisième quart de surface 23 de l’élément optique 4, qui est immédiatement adjacent au deuxième quart de surface 22, est en vis-à-vis de l’électrode de puissance 9 et, le cas échéant, de l’enceinte de confinement 18, de sorte qu’un plasma 11 érode un dépôt 7 formé sur sa surface à nettoyer 5 ; et un quatrième quart de surface 24 de l’élément optique 4, qui s’étend entre le troisième 23 et le premier quart de surface 21 , vient d’être nettoyé par le plasma 11. Le deuxième quart de surface 22 est donc dans une zone d’attente de nettoyage tandis que le quatrième quart de surface 24 est dans une zone d’attente d’utilisation, avant de recevoir le(s) faisceau(x) 20 d’énergie. Les premier 21 , deuxième 22, troisième 23 et quatrième 24 quarts de surface sont déplacés par quart de tour suivant une fréquence qui peut être régulière et qui est déterminée en fonction de la vitesse de formation du dépôt 7 sur la surface à nettoyer 5.
Une paroi de séparation 19 (ici, une paroi coudée) est en outre placée autour de la portion qui est traversée par le(s) faisceau(x) 20 d’énergie afin d’éviter qu’un dépôt 7 ne se forme dans les zones d’attente de nettoyage et d’utilisation. Sur la figure 2a, la paroi de séparation 19 se trouve au niveau du premier quart du surface 21.
Le nettoyage et le dépôt 7 peuvent alors être réalisés comme suit.
Au cours d’une première étape, le premier quart de surface 21 est utilisé pour laisser passer le(s) faisceau(x) d’énergie 20 afin de réaliser une fusion sélective sur le lit de poudre 3 placé sur le plateau mobile 30. Lors de cette fusion, un dépôt 7 se forme sur la face 5 de la vitre 4. Le troisième quart de surface 23 se trouve face à l’électrode de puissance 9. Un plasma 11 est alors généré par le générateur de plasma 11 , et éventuellement confiné dans l’enceinte de confinement 18, en vue d’éroder le dépôt 7 formé précédemment sur la surface à nettoyer (lorsque le troisième quart de surface 23 était en position de l’actuelle surface 21 et a laissé passer le(s) faisceau(x) d’énergie 20 pour une consolidation d’une couche de poudre en fabrication additive).
Au cours d’une deuxième étape, lorsque le dépôt 7 est complètement érodé dans le troisième quart de surface (par exemple lorsqu’un changement d’impédance supérieur au seuil est détecté) et est donc éliminé, l’unité de commande contrôle l’actionneur de sorte à faire tourner l’élément optique 4 d’un quart de tour. Le deuxième quart de surface 22 vient alors face à l’électrode de puissance 9 en vue de son nettoyage par le plasma 11 tandis que le premier quart de surface 21 , dont la surface à nettoyer 5 est recouverte d’un dépôt 7, prend la place du deuxième quart de surface 22, entre l’électrode et la zone utile recevant le(s) faisceau(x) 20 d’énergie. On notera qu’à ce stade, le troisième quart de surface 23 est propre (dépourvu de dépôt 7) et vient en configuration d’attente avant utilisation, à la place du quatrième quart de surface 24 qui vient sous le(s) faisceau(x), au sein de la zone délimitée par la paroi 19. Les première et deuxième étapes sont alors réitérées plusieurs fois jusqu’à ce que le procédé de fabrication additive soit achevé.
On comprendra que la génération du plasma 11 et l’érosion peuvent être réalisées de manière continue, puisque l’élément optique 4 est mis en rotation dès que le dépôt 7 est éliminé de sa surface à nettoyer 5. Par ailleurs, si la vitesse d’érosion par le plasma 11 du dépôt 7 est égale à la vitesse de formation du dépôt 7, le procédé de fabrication additive peut également être réalisé de manière continue.
Le cas échéant, si la vitesse d’érosion du dépôt 7 est inférieure à la vitesse de formation du dépôt 7, la machine 1 de fabrication additive peut comprendre en outre un piège magnétique 15, placé dans l’enceinte de confinement 18, afin d’accélérer l’érosion du dépôt 7.
En variante, lorsque le dépôt 7 est complètement érodé, si la vitesse d’érosion du dépôt 7 est supérieure à la vitesse de formation du dépôt 7 sur la surface à nettoyer 5, l’unité de commande peut arrêter l’alimentation de la source de puissance électrique 13 jusqu’à ce que l’élément optique 4 soit tourné d’un quart de tour. Une fois l’élément optique 4 tourné, l’unité de commande peut commander l’alimentation de l’électrode de puissance 9 afin de générer un nouveau plasma 11 et nettoyer la surface à nettoyer 5 située dans le deuxième quart de surface 22 de l’élément optique 4.
De préférence, la rotation de l’élément optique 4 est séquentielle, de sorte que le dépôt 7 présente une épaisseur sensiblement uniforme.
Bien entendu l’exemple décrit n’est pas limitatif. On comprendra par exemple que la surface utile de l’électrode de puissance 9 peut être égale à une fraction de surface de l’élément optique 4 qui différente d’un quart. Typiquement, le système de nettoyage 8 peut également fonctionner si la surface utile de l’électrode est sensiblement égale à un tiers de surface de l’élément optique 4 et si la rotation se fait par tiers de tour (et non par quart de tour). De même, les surfaces 21 , 22, 23, 24 peuvent être disposées de sorte à former un tronc de cône à facettes et présenter ainsi un angle entre elles. Ainsi, à titre d’ exemple, l’axe de rotation X peut être placé au sommet du tronc de cône et former un angle de 45° avec le système de nettoyage 8, qui est lui-même placé perpendiculairement à la direction des faisceaux 20 d’énergie. Selon une autre variante encore, à la fois l’élément optique 4 et l’électrode de puissance 9 sont montés mobiles par rapport à l’enceinte 2.
L’unité de commande peut notamment comprendre un calculateur de type processeur, microprocesseur, microcontrôleur, etc., configuré pour exécuter des instructions et contrôler la source de puissance électrique 13 et, le cas échéant, les moyens de déplacement de l’électrode de puissance 9 par rapport à l’enceinte 2 et/ou les moyens de déplacement de l’élément optique 4 (typiquement, par mise en rotation) par rapport à l’électrode de puissance 9.
Le nettoyage d’un élément optique 4 d’une machine 1 de fabrication additive peut alors être réalisé conformément aux étapes suivantes :
51 : placement de l’électrode de puissance 9 en vis-à-vis de la deuxième surface 6 de l’élément optique 4 ; et
52 : alimentation de l’électrode de puissance 9 de sorte à générer un plasma 11 par couplage capacitif à proximité de la première surface 5 de sorte à éroder le dépôt 7.
Comme indiqué plus haut, l’étape S1 peut être réalisée soit en déplaçant l’électrode de puissance 9 par rapport à l’élément optique 4, qui est fixe, de sorte à la positionner face au dépôt 7 à éroder, soit en déplaçant l’élément optique 4 (par exemple par rotation) par rapport à l’électrode de dépôt 7. Dans une variante, à la fois l’électrode de dépôt 7 et l’élément optique 4 sont mobiles dans l’enceinte 2.
Par ailleurs, pour protéger l’élément optique 4, le procédé comprend en outre des étapes de suivi d’une impédance du plasma 11 (étape S3) et d’interruption de l’alimentation de l’électrode de puissance 9 lorsqu’une variation de l’impédance dépasse un seuil prédéterminé (étape S4) et/ou de déplacement de l’un parmi l’électrode de puissance 9 par rapport à l’élément optique 4.

Claims

REVENDICATIONS
1. Machine (1 ) de fabrication additive, comprenant :
- une enceinte (2) ;
- un plateau mobile (30) placé dans l’enceinte (2) et sur lequel est placé un lit de poudre (3a) ;
- une ou plusieurs sources de faisceaux (20) d’énergie configurées pour balayer sélectivement le lit de poudre (3a) et le consolider ;
- un élément optique (4) fixé dans l’enceinte (2) et réalisé dans un matériau transparent aux ondes électromagnétiques, l’élément optique (4) présentant une première surface (5) sur laquelle un dépôt (7) issu d’une vaporisation du lit de poudre (3a) est susceptible de se former et une deuxième surface (6), opposée à la première surface (5) ; et
- un système de nettoyage (8) de la première surface (5) de l’élément optique (4) comprenant un générateur de plasma (11 ) comprenant un générateur radiofréquence, le générateur de plasma (11 ) comprenant une électrode de puissance (9), placée en vis-à-vis de la deuxième surface (6) de l’élément optique, (4) et une électrode de masse (10) configurées pour générer un plasma (11 ) par couplage capacitif à proximité de la première surface (5), une surface utile de l’électrode de puissance (9) étant inférieure à une surface utile de l’électrode masse afin de générer une tension d’autopolarisation au niveau de l’électrode de puissance (9).
2. Machine (1 ) de fabrication additive selon la revendication 1 , dans laquelle l’électrode de puissance (9) est montée mobile par rapport à l’enceinte (2) entre une configuration de nettoyage, dans laquelle l’électrode de puissance (9) est positionnée en vis-à-vis de la deuxième surface (6) et une configuration escamotée, dans laquelle l’électrode de puissance (9) est décalée par rapport au dépôt (7).
3. Machine (1 ) de fabrication additive selon l’une des revendications 1 et 2, dans laquelle la première surface (5) de l’élément optique (4) est au moins deux fois plus grande qu’une surface active de l’électrode de puissance (9), l’élément optique (4) étant mobile par rapport à l’électrode de puissance (9).
4. Machine (1 ) de fabrication additive selon la revendication 3, dans laquelle l’électrode de puissance (9) est fixe par rapport à l’enceinte (2).
5. Machine (1 ) de fabrication additive selon l’une des revendications 3 et 4, dans laquelle la première surface (5) de l’élément optique (4) est au moins quatre fois plus grande que la surface active de l’électrode de puissance (9), lequel l’élément optique (4) étant mobile en rotation autour d’un axe (X) par rapport à l’électrode de puissance (9), l’électrode de puissance (9) étant décalée par rapport à l’axe (X).
6. Machine (1 ) de fabrication additive selon l’une des revendications 3 à 5, comprenant en outre une enceinte de confinement (18) du plasma (11 ) positionnée du côté de la première surface (5) de l’élément optique (4) et montée fixe par rapport à l’électrode de puissance (9) de sorte à confiner le plasma (11 ) au niveau d’une zone de la première surface (5) se trouvant face à l’électrode de puissance (9).
7. Machine (1 ) de fabrication additive selon l’une des revendications 1 à 6, comprenant en outre un piège magnétique (15) monté, fixe ou mobile, par rapport à l’élément optique (4) et positionné à proximité de la première surface (5).
8. Machine (1 ) de fabrication additive selon l’une des revendications 1 à 7, comprenant en outre un adaptateur d’impédance (16) configuré pour surveiller une impédance du générateur de plasma (11 ) et, optionnellement, pour commander le générateur de plasma (11 ) en fonction de l’impédance mesurée.
9. Machine (1 ) de fabrication additive selon l’une des revendications 1 à 8, dans laquelle l’enceinte (2) est reliée à la masse et sert d’électrode de masse (10).
10. Système de nettoyage (8) d’une machine (1 ) de fabrication additive selon l’une des revendications 1 à 9, comprenant un générateur de plasma (11 ) comprenant un générateur radiofréquence, le générateur de plasma (11 ) comprenant une électrode de puissance (9), configurée pour être placée en vis-à-vis de la deuxième surface (6) de l’élément optique (4), et une électrode de masse (10) configurée pour générer un plasma (11 ) par couplage capacitif à proximité de la première surface (5), une surface utile de l’électrode de puissance (9) étant inférieure à une surface utile de l’électrode masse afin de générer une tension d’autopolarisation au niveau de l’électrode de puissance (9).
11. Système de nettoyage (8) selon la revendication 10, comprenant en outre un piège magnétique (15) monté fixe ou mobile par rapport à l’élément optique (4) et positionné à proximité de la première surface (5).
12. Système de nettoyage (8) selon l’une des revendications 10 ou 11 , comprenant en outre un adaptateur d’impédance (16) configuré pour surveiller une impédance du générateur de plasma (11 ) et, optionnellement, pour commander le générateur de plasma (11 ) en fonction de l’impédance mesurée.
13. Procédé de nettoyage d’un élément optique (4) d’une machine (1 ) de fabrication additive selon l’une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu’il comprend les étapes suivantes :
51 : placement d’une électrode de puissance (9) en vis-à-vis de la deuxième surface (6) de l’élément optique (4) ; et
52 : alimentation de l’électrode de puissance (9) de sorte à générer un plasma (11 ) par couplage capacitif à proximité de la première surface (5) de sorte à éroder le dépôt (7) formé sur la première surface (5) de l’élément optique (4).
14. Procédé selon la revendication 13, comprenant en outre les étapes suivantes :
53 : suivi d’une impédance du plasma (11 ) ; et
54 : lorsqu’une variation de l’impédance dépasse un seuil prédéterminé, interruption de l’alimentation de l’électrode de puissance (9) et/ou déplacement de l’un parmi l’électrode de dépôt et l’élément optique (4).
15. Procédé selon l’une des revendications 13 ou 14, dans lequel, au cours de l’étape S1 , l’électrode de puissance (9) est déplacée par rapport à l’élément optique (4) de sorte à la positionner au niveau du dépôt (7).
16. Procédé selon l’une des revendications 13 à 15 dans lequel, au cours de l’étape S1 , l’élément optique (4) est déplacé par rapport à l’électrode de puissance (9) de sorte à positionner le dépôt au niveau de l’électrode de puissance (9).
17. Procédé selon la revendication 16, dans lequel l’élément optique (4) est déplacé par rotation autour d’un axe (X).
18. Procédé selon la revendication 17, dans lequel l’élément optique (4) présente une surface environ au moins deux fois plus grande qu’une surface active de l’électrode de puissance (9) et l’élément optique (4) effectue une fraction de tour à chaque déplacement, par exemple la surface de l’élément optique (4) est quatre fois plus grande et l’élément optique (4) effectue un quart de tour à chaque déplacement.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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