WO2023118759A1 - Dispositif de surveillance et/ou de controle de puissance d'un faisceau laser pour fabrication additive - Google Patents

Dispositif de surveillance et/ou de controle de puissance d'un faisceau laser pour fabrication additive Download PDF

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    • G01J1/02—Details
    • G01J1/04—Optical or mechanical part supplementary adjustable parts
    • G01J2001/0481—Preset integrating sphere or cavity

Definitions

  • the present invention generally relates to the field of additive manufacturing by laser beam.
  • Additive manufacturing by consolidation of a starting material using a beam emitted by a laser source is conventionally known.
  • Such an additive manufacturing process is for example selective laser melting (SLM, acronym of the Anglo-Saxon name “Selective Laser Melting”), or directed energy deposition (DED, acronym of the Anglo-Saxon term “Directed Energy Deposition ").
  • SLM selective laser melting
  • DED directed energy deposition
  • a powder bed which is deposited layer by layer in a manufacturing jacket, and the layers deposited are irradiated by a laser beam in the zones which will constitute the part to be manufactured.
  • a scanner which typically includes optical elements such as mirrors and a mechanical device to steer the beam, is used to irradiate the different areas in the plane of the powder bed.
  • the powder typically a metal powder
  • the powder thus locally melts selectively and the solidification of the successive layers gradually forms the part. After irradiation of the last layer, the part cools and is removed from the powder-filled jacket.
  • a manufacturing nozzle placed on a Cartesian or robotic carrier is fed with a powder or a wire of material.
  • the nozzle further includes an energy source such as a laser beam, which is typically guided by an optical fiber.
  • the powder or the thread of material is melted at the outlet of the manufacturing nozzle and deposited in situ, before solidification, on an area where the object is to be manufactured. We can thus build an object, by depositing matter successively layer by layer.
  • This technology is suitable for various materials, such as metal, plastic and ceramic.
  • the consolidation of the starting material, in particular a metal powder, in an additive manufacturing process requires both high power and fine control of the power and intensity of the laser beam.
  • the power of the incident beam coming from the laser is typically measured, and a fusion check is carried out on the beam downstream of the part manufacturing process.
  • the present invention relates to the measurement of the power of the incident beam.
  • Figure 1 illustrates a laser power control device in a known additive manufacturing machine.
  • An incident beam 10 emitted by a laser is guided, on a material consolidation device, either a scanner for an SLM process, or an optical head connected to a manufacturing nozzle for a DED process.
  • the beam 10 generally has a generally Gaussian energy distribution due to its method of generation.
  • a part 11 of the beam (typically less than 5%) is sampled downstream of the powder melting device by a semi-reflecting mirror 20.
  • the sampled part 11 is oriented on a photodiode 40, for example via a passive reflector 31 .
  • Optical filters 32 are used in order to lower the intensity and avoid damaging the photodiode 40.
  • the semi-reflecting mirror, the reflector 31 and the filters 32 do not modify the energy distribution of the laser.
  • Photodiode 40 is precisely aligned to the center of the beam. This alignment is performed according to the maximum intensity of the Gaussian profile which is easily detectable.
  • the spatial power distribution of the beam is known, which allows a reliable extrapolation on the overall power of the beam.
  • the major part 12 of the beam after sampling is used as an energy source in the additive manufacturing process.
  • a reflected beam 13 during this process can be picked up by the semi-reflecting mirror 20 for a fusion control measurement by a photodiode 130.
  • a laser beam with a uniform energy distribution known as a "top-hat”. due to its near-uniform intensity profile on a circular disc whose diameter is greater than half the diameter at half-height of the laser beam.
  • multimode lasers having an annular spatial energy distribution, in the form of several concentric rings, or even a very complex energy distribution, is also envisaged.
  • the use of multimode lasers makes it possible to increase the power of the beam and/or to reduce the cost of the system. In some cases, the interaction between the laser beam and the material is better suited to the additive manufacturing process.
  • a control device using a photodiode 40 aligned according to the energy profile of beam 11 is not suitable for controlling the power of laser beams with a non-Gaussian profile and in particular complex profiles such as multimode profiles and profiles of the top-hat type. These profiles have a spatially variable intensity as shown in Figures 2A to 2H.
  • a beam from a laser in multimode operation there is often no intensity maximum at the center of the beam.
  • a beam of the top-hat type there is a central maximum intensity, it is however not very pronounced and has a wide extent. There is therefore no intensity maximum defining a precise central zone over which the position of the photodiode could be adjusted.
  • An object of the invention is to provide a laser power monitoring and/or control device for an additive manufacturing process, allowing precise continuous measurement of the power emitted by the beam, whatever its energy profile.
  • the invention proposes a device for monitoring and/or controlling the power of a beam emitted by a laser, said beam being suitable for melting and/or consolidating a starting material in a manufacturing process.
  • said device comprising a semi-reflecting mirror arranged so as to sample a part of the laser beam upstream of the starting material to be fused and/or consolidated, and an optical detector, characterized in that the device further comprises o a hollow integrating sphere, the optical detector being arranged on an inner wall of said integrating sphere so as to measure the light intensity inside said integrating sphere, and o an optical focusing device arranged so as to focus the part sampled from the laser beam in the integrating sphere, so that the light intensity inside said integrating sphere is proportional to the power of the beam emitted by said laser, o a sampling blade (57) adapted to sample a sub- part (111) of the part (11) taken from the laser beam, and o an optical absorber (51) arranged on one side of the picking blade (
  • Such a device allows the use of any power distribution profile. It therefore allows a gain in power and/or precision of the laser beam. A gain in power generates a gain in production speed.
  • the freedom to choose the type of laser makes it possible to choose a model that is less bulky and/or complex to supply, and thus reduces the size and complexity of layout in the machine.
  • the optical focusing device includes a converging lens. In other embodiments, the optical focusing device includes an arrangement of multiple lenses.
  • the optical detector is a photodiode.
  • the optical detector is adapted to measure the power for a wavelength comprised between 400 and 1100 nm, and preferably comprised between 1030 and 1100 nm.
  • the invention also relates to an additive manufacturing system by selective laser melting (SLM), comprising an enclosure, a device for depositing successive layers of a material powder on a support, at least one laser source emitting a laser adapted to progressively and selectively solidify at least part of said layers, and a device as described above, so as to sample part of the beam emitted by said laser source and to determine the power of said beam by measuring d a luminous intensity inside the integrating sphere.
  • SLM selective laser melting
  • the invention also relates to an additive manufacturing system by directed energy deposition (DED), comprising at least one laser source emitting a suitable laser beam to solidify a starting material, a manufacturing nozzle comprising at least one orifice configured to selectively dispense said starting material and an orifice through which said laser beam exits the nozzle, said system comprising an optical fiber adapted to guide the laser beam to said manufacturing nozzle, and a laser power control device as described above.
  • DED directed energy deposition
  • the invention also relates to a method for monitoring and/or controlling the power of a laser beam emitted by a laser source, comprising the following steps: o the sampling of a part of a beam emitted from a laser o the focusing said tapped part of the beam in an integrating sphere o measuring the power inside the integrating sphere by an optical detector, o using the non-tapped portion of the beam to fuse and/or consolidate a material starting point in an additive manufacturing process.
  • the method for controlling the power of a beam further comprises a step of transmitting data from the optical detector to a microprocessor, and a step of adjusting the intensity of the laser beam coming from the laser source.
  • This transmission step allows continuous adjustment for a laser in multimode operation, even in the event of a mode jump.
  • Figure 1 is a schematic view of a beam path in a known additive manufacturing device.
  • Figures 2A-2H are representations of several different laser power distribution profiles.
  • Figure 3 is a schematic view of a beam path in an additive manufacturing device according to one embodiment of the invention.
  • Figure 4 is a sectional view of a power control device according to the invention.
  • Figure 5 is a schematic view of the beam path in a power control device according to one embodiment of the invention.
  • Figure 6 is a schematic view of the beam path in a power monitor device according to one embodiment of the invention.
  • FIG. 7 is a schematic view of the steps of a power control method according to the invention.
  • Figure 3 illustrates a laser power monitoring and/or control device according to the invention, integrated into an additive manufacturing machine.
  • the machine can be an SLM machine or a DED machine or any other additive manufacturing machine using one or more laser beams as an energy source for the consolidation of a starting material.
  • the starting material is typically a metal powder, but it can also be a plastic powder or a ceramic powder or a material in a form other than a powder, for example in the form of a filament.
  • the additive manufacturing machine comprises one or more laser sources emitting one or more laser beams 10.
  • a laser source can be a solid laser, a fiber optic laser, a laser diode or any other laser source suitable for the consolidation of a starting material in an additive manufacturing process.
  • the laser source is typically a fiber optic laser emitting a beam of an infrared wavelength, for example of a length of 1064 nm wave.
  • the power monitoring and/or control device according to the invention can be used for any other type of laser source and any other wavelength, for example in the visible light spectrum.
  • the laser source or sources can be used in single-mode or multi-mode mode. They may include optical elements to adjust their mode of operation and the shape and power distribution of the emitted beam.
  • the at least one laser source emits a laser beam having any power distribution profile.
  • the power distribution profile is a profile of the top-hat type in which the power is constant over a given zone around the center of the beam.
  • the profile exhibits a Gaussian power distribution in which power decreases with increasing radial distance from the center of the beam.
  • the profile has a complex or even very complex of a laser in multimode operation, where the profile is a superposition of several different distributions.
  • the laser source or sources can be arranged inside a manufacturing chamber in the additive manufacturing machine.
  • one or more laser sources can be arranged outside the chamber, and each beam emitted by the laser source(s) enters the manufacturing chamber by passing through a window transparent to the wavelength of the beam.
  • Each beam can be deflected by one or more passive mirrors which guide the beam from the laser source to an additive manufacturing head or a scanning device which directs each beam onto the material to be consolidated during the additive manufacturing process.
  • the laser source(s) can be arranged in the additive manufacturing machine according to their size and their specific constraints, for example concerning cooling and power supply.
  • the incident laser beam has a diameter and a power distribution profile adapted to the additive manufacturing process used.
  • the passive mirrors used to guide the beam maintain the diameter and the power distribution profile.
  • a semi-transparent mirror 20 is arranged in the additive manufacturing machine and samples a part 11 of the beam 10 emitted by the laser source.
  • the reflection/transmission ratio of the semi-transparent mirror 20 is essentially independent of the power and of the spatial distribution of the power of the incident laser beam. Most of the beam passing through the semi-transparent mirror is used in the same machine for the consolidation of the starting material in the additive manufacturing process.
  • the sampled part 11 of the beam is directed by the semi-transparent mirror and, optionally, by other optical elements such as a passive reflector 31, towards a measurement module 500.
  • this module 500 the total power is measured of the portion 11 of the laser beam sampled and therefore of the incident laser beam 10.
  • FIG. 4 A detailed view of a measurement module 500 according to the invention is represented in FIG. 4.
  • the measurement module 500 comprises a focusing device 52 and an integrating sphere 50 in which an optical detector 60 is arranged.
  • the optical detector 60 is for example a photodiode, or any other detector suitable for measuring the power of a laser beam having the same wavelength as the incident laser beam 10.
  • the integrating sphere 50 has an opening 54 in which the sampled part 11 of the beam is directed.
  • the opening 54 has a section which is typically smaller than the section of the incident laser beam 10.
  • the measurement module 500 can also comprise a sampling blade 57 and an absorption device 51.
  • Other optical elements can be present in the 500 module to facilitate integration into the machine. Such optical elements are for example passive reflecting mirrors, filters, optical fibers or any other device which does not modify the power of the beam, or which modifies the power of the beam in a linear and reproducible manner.
  • the sampled part 11 of the beam is directed through the opening 54 of the integrating sphere 50. Downstream of said opening 54, the sampled part 11 of the beam is concentrated by the focusing device 52 so that its width is minimal when passing of the opening 54 of the integrating sphere 50.
  • the power of the tapped part 11 of the beam can be further reduced by the tapping plate 57 which is typically a second semi-transparent mirror. Such a reduction may be necessary, for example, to decrease the power of the beam and adapt it to the specification of an optical sensor.
  • the reflection/transmission ratio of the sampling blade 57 is chosen according to the power of the incident laser 10 and thus adapted to the power of the sampled part 11 of the beam, and to the parameters of the detector 60 arranged in the integrating sphere 50.
  • an absorption device 51 is arranged on a side of this sampling blade 57 opposite to the side of this sampling blade which receives the sampled part 11 of the laser beam and which emits the sub- part 111 of this part 11 removed from the laser beam. In order to prevent leakage of the beam transmitted by the sampling blade towards the outside of the 500 module and thus prevent any risk of fire, burns or injury by the laser beam.
  • the focusing device 52 is typically a convergent lens, for example a convex lens.
  • the focusing device 52 is a convergent system comprising several lenses.
  • the focusing device 52 can be a converging mirror arranged so as to direct the sampled part 11 of the beam through the opening 54 of the integrating sphere 50.
  • the focusing device 52 can be integrated into the sampling blade 57.
  • the blade of sampling 57 and the focusing device 52 are formed by a semi-transparent convergent mirror.
  • the focusing device 52 can be arranged downstream of the sampling blade 57 and of the absorption device 51.
  • the focusing device 52 can be arranged upstream of the sampling blade 57 and of the absorption device 51. It is also possible for the focusing system 52 to comprise several lenses including at least one lens arranged upstream and at least one lens arranged downstream of the sampling blade 57. The dimension and orientation of the sampling blade 57 are adapted according to the focusing device 52 and the position of this device 52 with respect to the sampling blade 57.
  • the materials and surfaces of the optical elements are matched to the power and wavelength of the laser beam 10.
  • integrating sphere 50 is a hollow sphere that is typically metal, glass, or ceramic.
  • the interior surface has a high diffuse reflectance for at least the wavelength of the incident laser beam 10.
  • the interior surface includes a coating or paint which may be barium sulfate or a polytetrafluoroethylene composite (PTFE) for a beam in the visible light spectral range, or gold for an infrared laser beam.
  • the integrating sphere 50 includes an aperture 54 which is typically less than the width of the incident beam 10 and the diameter of the hollow sphere.
  • Integrating sphere 50 Inside the integrating sphere 50, the light beams coming from any point of the internal surface of the sphere are distributed, because of the multiple diffuse reflections, in an equal way to all the other points of the sphere whatever be the original direction of light. Integrating sphere 50 can be thought of as a diffuser that conserves power but destroys spatial information.
  • an optical detector 60 suitable for measuring a light intensity, for example a photodiode.
  • the optical detector 60 is preferably arranged transverse to a beam passing through the opening 54 of the hollow sphere, so that it is not in the direct path of such a beam.
  • the trajectory between the central point of the hollow sphere and the detector 60 can form a right angle with the trajectory between the central point of the hollow sphere and the opening 54.
  • the detector 60 is not exposed directly to an incident beam in the integrating sphere 50.
  • diaphragms can be used at different points in the path of the beam 10, 11, 12 so that the power profile of the beam 111 entering the integrating sphere 50 remains an image of the power profile of the beam 12 used for the additive manufacturing process.
  • the additive manufacturing machine includes an optical fiber, for example to guide the manufacturing beam 12 to a manufacturing head in a DED machine.
  • the monitoring and control device is preferably arranged downstream of the laser source and upstream of the optical fiber.
  • the semi-transparent mirror 20 can be arranged upstream of a focusing device used to focus the laser beam 12 in the optical fiber.
  • the laser beam 10 emitted from the laser source has an initial power and diameter.
  • the section of the beam 10 presents a power distribution according to a profile which can, in certain cases, present a continuous or discrete rotational symmetry. In some cases, non-symmetrical profiles are also observed.
  • Some examples of perspective power distribution profiles are shown in Figures 2A through 2H.
  • the top representation of each respective Figure 2A-2H illustrates the power distribution in a plane perpendicular to the direction of the laser beam
  • the bottom representation of each respective Figure 2A-2H illustrates the power distribution in perspective.
  • the heights correspond to the maximum intensities and the flat areas correspond to the minimum intensities.
  • Such a profile can be a Gaussian type profile as illustrated in FIGS. 2A and 2B, a more or less complex multi-mode profile as illustrated in FIGS. 2C to 2G, or a top-hat type profile as illustrated in FIG. 2H as described above.
  • the distribution profile 70a of the laser power of the sampled part 11 corresponds to the profile of the incident beam 10, however it is proportionally lower in terms of power according to the reflection/transmission ratio of the semi-reflecting mirror 20.
  • the sampled part 11 therefore has a section similar to the cross section of the incident laser beam 10, the power of which is attenuated proportionally over the entire extent of the section.
  • the diameter of the beam 10, 11 remains constant during reflection in the semi-transparent mirror.
  • a passive reflector which is often used in an additive manufacturing machine in order to adjust the path of the beam 10, 11, 12 to the mechanical constraints of the machine, modifies the direction of the laser beam 10, 11, 12.
  • the reflector passive does not modify the diameter or the profile of the laser beam 10, 11, 12.
  • the sampling plate 57 is a semi-transparent mirror.
  • the part 111 of the beam sampled by such a plate 57 has a power distribution profile 70a similar to the profile of the part 11 of the laser beam sampled by the mirror 20.
  • the power of the beam sampled by the sample plate 57 is attenuated proportionally over the entire extent of the section according to the reflection/transmission ratio of the sampling blade 57.
  • the diameter and the section of the beam 11, 111 remain constant during reflection by the sampling blade 57.
  • the part 111 therefore also has a profile and cross-section similar to the profile and cross-section of the incident beam 10 and to the cross-section of the manufacturing beam 12.
  • the focusing device 52 concentrates the sampled part 11, 111 of the laser beam by decreasing its diameter, so that the diameter is reduced on a point at the focal plane of the focusing device 52.
  • the total power of the beam 11, 111 remains constant.
  • the diameter of the beam 11, 111 and the spatial extension of the power profile are proportionally reduced when passing through the focusing device 52.
  • the power on each zone of the profile is proportionally increased, so as to maintain the overall power of the beam 11 , 111.
  • the sampled beam 11, 111 therefore has a power profile 70b attenuated by a known factor and spatially reduced along the focal plane of the focusing device 52.
  • the spatial power distribution corresponds to an image reduced in the distribution of the incident beam 10.
  • the part 11, 111 of the beam focused in the opening 54 of the integrating sphere 50 is oriented on the diffusing surface of the hollow sphere and thus undergoes multiple scattering inside the integrating sphere 50, producing a homogeneous light intensity and proportional to the power of the beam 11, 111 entering the integrating sphere 50.
  • the optical detector 60 arranged on the inner wall 55 of said integrating sphere 50 receives therefore a light intensity proportional to the power of the incident beam 10 emitted by the laser source.
  • the power measurement is proportional to the total power of the incident beam 10, and independent of the power distribution of the beam 10, 11, 111.
  • the same device can be used when changing the power distribution profile of the incident beam 10, for example after a change in the parameters of the laser source or a change in the laser source, or during variations in the power distribution profile of the incident beam 10 over time.
  • the optical detector 60 measures an intensity which is proportional to the overall power of the incident laser beam 10 emitted by the laser source, independently of the distribution of the power over the section of the beam 10, 11, 111.
  • Spot power measurements can be made, for example to adjust a laser source or an additive manufacturing device. Regular measurements can be made to ensure the proper functioning of the machine, for example at the start of manufacturing or at certain predefined stages during the additive manufacturing of an object.
  • the device can be used to set up a continuous control of the incident laser beam 10.
  • the light intensities measured by the detector 60 are transmitted to an electronic control system 80, which comprises for example a microcontroller .
  • the electronic control system 80 can calculate the power of the laser beam 10, 11, 12 from the measured light intensity, and compare the calculated power with a target power suitable for the additive manufacturing process. When the power is higher than the target power, the electronic control system 80 triggers a decrease in the power of the laser source, and when the power is lower than the target power, the electronic control system 80 triggers an increase in power. from the laser source. It is thus possible to finely adjust the power of the incident beam 10, or to program a hysteresis to avoid too frequent manipulations of the laser source.
  • Such an adjustment ensures the correct power of the manufacturing beam 12 throughout the additive manufacturing process in the machine equipped with the control device.
  • a constant material consolidation temperature is ensured during the additive manufacturing process.
  • a constant consolidation temperature avoids tensions in the material formed during the additive manufacturing process.
  • homogeneous material properties and good quality of the parts to be produced in the machine are achieved.
  • Figure 7 schematically illustrates the steps of such a control process.
  • the light intensity of the incident beam 10 is determined by the optical detector 60 in a measurement step 600.
  • the data is communicated to the electronic control system 80.
  • the electronic control system then triggers an adjustment step 800 of the laser source emitting the incident beam 10.
  • the power distribution can change abruptly when changing the laser mode, for example due to a variation in temperature, power supply, or mechanical vibration. .
  • An abrupt profile change can also occur when adjusting power via the control device.
  • the laser beam can still be used for the additive manufacturing process and the control system continues to operate. If the overall intensity undergoes a significant variation, the laser source can be adjusted to compensate for the variation or stop the additive manufacturing process. Since the measurement by the integrating sphere 50 operates independently of the power distribution of the beam, the control device can also be used in the event of variations in the power distribution of the beam over time.
  • the power control device as described above makes it possible to use a manufacturing laser beam 12 having any power distribution profile.
  • the control device allows the use of such a beam profile.
  • Complex beams including the top hat make it possible to increase the diameter of the beam and the melting temperature compared to a single-mode laser with a Gaussian profile.
  • a profile of the top-hat type allows in particular a gain in precision and extent of the heated zone.
  • a profile of the multimode type typically allows a gain in laser power.
  • Such a bundle also allows the use of other starting materials requiring a higher consolidation temperature or a more homogeneous heat distribution.
  • a laser source in multimode operation has a higher power than the same laser source in single-mode operation or than a laser source of the same size and having the same power supply and cooling requirement, in single-mode operation.
  • Such a laser source has, for the same manufacturing beam power, a smaller space requirement in the machine and/or smaller electrical power supply and/or cooling requirements.
  • a laser source requiring a cooling fluid circuit can be replaced by a laser source cooled by a fan or by convection, which greatly simplifies the integration of the laser source into an additive manufacturing machine.

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Abstract

L'invention concerne un dispositif de surveillance et/ou de contrôle de puissance d'un faisceau (10) émis par un laser, ledit faisceau (10) étant adapté pour la fusion et/ou consolidation d'une matière de départ dans un procédé de fabrication additive, ledit dispositif comprenant un miroir semi-réfléchissant (20) agencé de sorte à prélever une partie (11) du faisceau laser (10) en amont de la matière de départ à fusionner et/ou consolider, et un détecteur optique 60, caractérisé en ce le dispositif comprend en outre une sphère intégratrice (50) creuse, le détecteur optique (60) étant disposé sur une paroi intérieure (55) de ladite sphère intégratrice (50) de sorte à mesurer l'intensité lumineuse à l'intérieur de ladite sphère intégratrice (50), et un dispositif de focalisation optique (52) agencé de sorte à focaliser la partie (11) prélevée du faisceau laser (10) dans la sphère intégratrice (50), de sorte que l'intensité lumineuse à l'intérieur de ladite sphère intégratrice (50) est proportionnelle à la puissance du faisceau émis par ledit laser, une lame de prélèvement (57) adaptée pour prélever une sous-partie (111) de la partie (11) prélevée du faisceau laser, et un absorbeur optique (51) agencé sur un côté de la lame de prélèvement (57) opposé au côté de cette lame de prélèvement qui reçoit la partie (11) prélevée du faisceau laser et qui émet la sous-partie (111) de cette partie (11) prélevée du faisceau laser.

Description

DISPOSITIF DE SURVEILLANCE ET/OU DE CONTROLE DE PUISSANCE D’UN FAISCEAU LASER POUR FABRICATION ADDITIVE
DOMAINE DE L'INVENTION
La présente invention concerne de façon générale le domaine de la fabrication additive par faisceau laser.
Elle propose plus particulièrement un dispositif de contrôle de puissance d’un faisceau laser pour la fabrication additive et trouve avantageusement (mais non limitativement) application pour la fabrication additive métallique.
ETAT DE LA TECHNIQUE
La fabrication additive par consolidation d’une matière de départ à l'aide d’un faisceau émis par une source laser est classiquement connue. Un tel procédé de fabrication additive est par exemple la fusion sélective par laser (SLM, acronyme du nom anglo-saxon « Selective Laser Melting »), ou le dépôt d’énergie dirigée (DED, acronyme du terme anglo-saxon « Directed Energy Deposition »).
Dans un procédé du type SLM, on utilise un lit de poudre qui est déposé couche par couche dans une chemise de fabrication, et on irradie les couches déposées par un faisceau laser dans les zones qui constitueront la pièce à fabriquer. Un scanner qui comprend typiquement des éléments optiques tels que des miroirs et un dispositif mécanique pour orienter le faisceau, est utilisé pour irradier les différentes zones dans le plan du lit de poudre.
La poudre, typiquement une poudre métallique, fond ainsi localement de manière sélective et la solidification des couches successives forme progressivement la pièce. Après irradiation de la dernière couche, la pièce refroidit et est retirée de la chemise remplie poudre.
Dans un procédé du type DED, une buse de fabrication disposée sur un porteur cartésien ou robotique est alimentée par une poudre ou un fil de matière. La buse comprend en outre une source d’énergie tel qu’un faisceau laser, qui est typiquement guidé par une fibre optique. La poudre ou le fil de matière est fondu à la sortie de la buse de fabrication et déposée in-situ, avant solidification, sur une zone où l’objet doit être fabriqué. On peut ainsi construire un objet, en déposant de la matière successivement couche par couche. Cette technologie est adaptée pour des matières variées, telles que le métal, le plastique et la céramique. La consolidation de la matière de départ, notamment d’une poudre métallique, dans un procédé de fabrication additive nécessite à la fois une puissance importante, et un contrôle fin de la puissance et de l’intensité du faisceau laser. On mesure typiquement la puissance du faisceau incident en provenance du laser, et effectue un contrôle de fusion sur le faisceau en aval du procédé de fabrication de la pièce. La présente invention concerne la mesure de la puissance du faisceau incident.
La figure 1 illustre un dispositif de contrôle de puissance laser dans une machine de fabrication additive connue. Un faisceau incident 10 émis par un laser est guidé, sur un dispositif de consolidation de matière, soit un scanner pour un procédé SLM, soit une tête optique connectée à une buse de fabrication pour un procédé DED. Le faisceau 10 présente en général une répartition d'énergie généralement gaussienne du fait de son procédé de génération.
Une partie 11 du faisceau (typiquement inférieure à 5%) est prélevée en aval du dispositif de fusion de poudre par un miroir semi-réfléchissant 20. La partie 11 prélevée est orientée sur une photodiode 40, par exemple par l’intermédiaire d’un réflecteur passif 31 . On utilise des filtres optiques 32 afin de baisser l’intensité et éviter d’endommager la photodiode 40. Le miroir semi-réfléchissant, le réflecteur 31 et les filtres 32 ne modifient pas la répartition d’énergie du laser. La photodiode 40 est alignée de manière précise sur le centre du faisceau. Cet alignement est effectué en fonction de l’intensité maximale du profil gaussien qui est facilement détectable. La distribution spatiale de puissance du faisceau est connue, ce qui permet une extrapolation fiable sur la puissance globale du faisceau.
La partie majeure 12 du faisceau après prélèvement est utilisée en tant que source d’énergie dans le procédé de fabrication additive. Un faisceau réfléchi 13 pendant ce procédé peut être récupéré par le miroir semi-réfléchissant 20 pour une mesure de contrôle de fusion par une photodiode 130.
Cependant, dans certains procédés de fabrication additive, il est préférable d'utiliser un faisceau laser à répartition d'énergie uniforme, connu sous le terme « top-hat » (selon le terme anglo-saxon pour un chapeau haut-de-forme) en raison de son profil d’intensité quasi-uniforme sur un disque circulaire dont le diamètre est supérieur à la moitié du diamètre à mi-hauteur du faisceau laser. On envisage également l’utilisation des lasers multimodes, présentant une répartition d’énergie spatiale annulaire, sous forme de plusieurs anneaux concentriques, voire une répartition d’énergie très complexe. L’utilisation des lasers multimodes permettent d’augmenter la puissance du faisceau et/ou de diminuer le coût du système. Dans certains cas, l’interaction entre le faisceau laser et la matière est mieux adaptée au procédé de fabrication additive. Un dispositif de contrôle utilisant une photodiode 40 aligné selon le profil énergétique du faisceau 11 n’est pas adapté pour le contrôle de la puissance des faisceaux lasers à profil non-gaussien et en particulier des profils complexes tels que les profils multimodes et les profils du type top-hat. Ces profils présentent une intensité spatialement variable telle que représenté sur les figures 2A à 2H. Dans le cas d’un faisceau d’un laser en fonctionnement multimodes, on ne trouve souvent aucun maximum d’intensité au centre du faisceau. Dans le cas d’un faisceau du type top-hat, on trouve un maximum d’intensité central, il est cependant peu prononcé et présente une étendue large. Il n’y a donc pas de maximum d’intensité définissant une zone centrale précise sur laquelle la position de la photodiode pourrait être ajustée.
En outre, dans le cas d’un laser multimodes, plusieurs zones distinctes présentant des intensités importantes peuvent apparaitre à une certaine distance spatiale du centre du faisceau. Même en ajustant la position d’une photodiode, la mesure ne peut être que partielle et ne peut concerner que l’une de ces zones du spot du faisceau laser. Il n’est pas possible de mesurer ou d’estimer toute l’intensité du faisceau laser.
Les documents US 2021/146624 A1 , CN 209 756 093 U, et S. Everton et al. enseignent des dispositifs de surveillance et/ou de contrôle de puissance laser pour la fabrication additive. Cependant, ces documents n’enseignent pas comment obtenir une mesure continue précise de la puissance émise par le faisceau, quel que soit son profil énergétique.
Les documents DE 4024929 A1 et WO 91/19539 A1 enseignent des dispositifs de surveillance et/ou de contrôle de puissance laser pour une mesure de puissance laser. Cependant, ces dispositifs ne sont pas adaptés pour des systèmes de fabrication additive par laser.
EXPOSE DE L'INVENTION
Un but de l’invention est de mettre à disposition un dispositif de surveillance et/ou contrôle de puissance laser pour un procédé de fabrication additive, permettant une mesure continue précise de la puissance émise par le faisceau, quel que soit son profil énergétique.
A cet objectif, l’invention propose un dispositif de surveillance et/ou de contrôle de puissance d’un faisceau émis par un laser, ledit faisceau étant adapté pour la fusion et/ou consolidation d’une matière de départ dans un procédé de fabrication additive, ledit dispositif comprenant un miroir semi-réfléchissant agencé de sorte à prélever une partie du faisceau laser en amont de la matière de départ à fusionner et/ou consolider, et un détecteur optique, caractérisé en ce le dispositif comprend en outre o une sphère intégratrice creuse, le détecteur optique étant disposé sur une paroi intérieure de ladite sphère intégratrice de sorte à mesurer l’intensité lumineuse à l’intérieur de ladite sphère intégratrice, et o un dispositif de focalisation optique agencé de sorte à focaliser la partie prélevée du faisceau laser dans la sphère intégratrice, de sorte que l’intensité lumineuse à l’intérieur de ladite sphère intégratrice est proportionnelle à la puissance du faisceau émis par ledit laser, o une lame de prélèvement (57) adaptée pour prélever une sous-partie (111 ) de la partie (11 ) prélevée du faisceau laser, et o un absorbeur optique (51 ) agencé sur un côté de la lame de prélèvement (57) opposé au côté de cette lame de prélèvement qui reçoit la partie (11 ) prélevée du faisceau laser et qui émet la sous-partie (111 ) de cette partie (11 ) prélevée du faisceau laser.
Un tel dispositif permet l’utilisation d’un profil de répartition de puissance quelconque. Il permet donc un gain en puissance et/ou en précision du faisceau laser. Un gain en puissance engendre un gain en vitesse de production.
En outre, la liberté du choix du type de laser permet de choisir un modèle moins encombrant et/ou complexe à alimenter, et ainsi diminuer l’encombrement et la complexité d’agencement dans la machine
Dans certains modes de réalisation, le dispositif de focalisation optique comprend une lentille convergente. Dans d’autres modes de réalisation, le dispositif de focalisation optique comprend un agencement de plusieurs lentilles.
De manière avantageuse, le détecteur optique est une photodiode. De préférence, le détecteur optique est adapté pour mesurer la puissance pour une longueur d’onde comprise entre 400 et 1100 nm, et de préférence comprise entre 1030 et 1100 nm.
L’invention se rapporte aussi à un système de fabrication additive par fusion sélective par laser (SLM), comprenant une enceinte, un dispositif de dépôt de couches successives d’une poudre de matière sur un support, au moins une source laser émettant un faisceau laser adapté pour solidifier progressivement et de manière sélective au moins une partie desdites couches, et un dispositif tel que décrit ci-dessus, de sorte à prélever une partie du faisceau émis par ladite source laser et de déterminer la puissance dudit faisceau par la mesure d’une intensité lumineuse à l’intérieur de la sphère intégratrice.
L’invention se rapporte aussi à un système de fabrication additive par dépôt d’énergie dirigée (DED), comprenant au moins une source laser émettant un faisceau laser adapté pour solidifier un matériau de départ, une buse de fabrication comprenant au moins un orifice configuré pour distribuer de manière sélective ladite matière de départ et un orifice à travers lequel ledit faisceau laser sort de la buse, ledit système comportant une fibre optique adaptée pour guider le faisceau laser vers ladite buse de fabrication, et un dispositif de contrôle de puissance de laser tel que décrit ci-dessus.
L’invention concerne également un procédé de surveillance et/ou de contrôle de puissance d’un faisceau laser émis par une source laser, comprenant les étapes suivantes : o le prélèvement d’une partie d’un faisceau émis d’un laser o la focalisation de ladite partie prélevée du faisceau dans une sphère intégratrice o la mesure de la puissance à l’intérieur de la sphère intégratrice par un détecteur optique, o l’utilisation de la portion non-prélevée du faisceau pour fusionner et/ou consolider une matière de départ dans un procédé de fabrication additive.
De manière avantageuse, le procédé de contrôle de puissance d’un faisceau, comprend en outre une étape de transmission de données du détecteur optique vers un microprocesseur, et une étape de réglage d’intensité du faisceau laser provenant de la source laser. Cette étape de transmission permet un réglage en continu pour un laser en fonctionnement multimodes, même en cas de saut de modes.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront de la description détaillée qui va suivre, en référence aux dessins annexés, sur lesquels :
La figure 1 est une vue schématique d’un trajet de faisceau dans un dispositif de fabrication additive connu.
Les figures 2A à 2H sont des représentations de plusieurs profils de répartition de puissance laser différents.
La figure 3 est une vue schématique d’un trajet de faisceau dans un dispositif de fabrication additive selon un mode de réalisation de l’invention.
La figure 4 est vue en coupe d’un dispositif de contrôle de puissance selon l’invention.
La figure 5 est une vue schématique du trajet de faisceau dans un dispositif de contrôle de puissance selon un mode de réalisation de l’invention.
La figure 6 est une vue schématique du trajet de faisceau dans un dispositif de contrôle de puissance selon un mode de réalisation de l’invention. La figure 7 est une vue schématique des étapes d’un procédé de contrôle de puissance selon l’invention.
DESCRIPTION DETAILLEE DE MODES DE REALISATION
La figure 3 illustre un dispositif de surveillance et/ou de contrôle de puissance laser selon l’invention, intégré dans une machine de fabrication additive. La machine peut être une machine de SLM ou une machine de DED ou toute autre machine de fabrication additive utilisant un ou plusieurs faisceaux laser en tant que source d’énergie pour la consolidation d’une matière de départ.
La matière de départ est typiquement une poudre métallique, mais elle peut également être une poudre plastique ou une poudre céramique ou une matière sous une autre forme qu’une poudre, par exemple sous forme d’un filament.
Source laser
La machine de fabrication additive comprend une ou plusieurs sources laser émettant un ou plusieurs faisceaux laser 10. Une telle source laser peut être un laser solide, un laser à fibre optique, une diode laser ou tout autre source laser adaptée pour la consolidation d’une matière de départ dans un procédé de fabrication additive. De manière illustrative et non limitative, dans le cas d’une machine de fabrication additive du type SLM la source laser est typiquement un laser à fibre optique émettant un faisceau d’une longueur d’onde infrarouge, par exemple d’une longueur d’onde de 1064 nm. Cependant, le dispositif de surveillance et/ou contrôle de puissance selon l’invention peut être utilisé pour tout autre type de source laser et tout autre longueur d’onde, par exemple dans le spectre de la lumière visible.
La ou les sources laser peuvent être utilisées en mode monomode ou multimode. Elles peuvent comprendre des éléments optiques pour ajuster leur mode de fonctionnement et la forme et distribution de puissance du faisceau émis. La ou les sources laser émettent un faisceau laser présentant un profil de répartition de puissance quelconque. Par exemple, le profil de répartition de puissance est un profil du type top-hat dans lequel la puissance est constante sur une zone donnée autour du centre du faisceau. De manière alternative, le profil présente une distribution de puissance gaussienne dans laquelle la puissance diminue avec l'augmentation de la distance radiale à partir du centre du faisceau. Dans d’autres modes de réalisation, le profil présente une distribution complexe voir très complexe d’un laser en fonctionnement multimode, ou le profil est une superposition de plusieurs distributions différentes.
La ou les sources laser peuvent être agencées à l’intérieur d’une chambre de fabrication dans la machine de fabrication additive. De préférence, une ou plusieurs sources laser peuvent être agencées à l’extérieur de la chambre, et chaque faisceau émis par la ou les sources laser pénètre dans la chambre de fabrication en passant par une vitre transparente à la longueur d’onde du faisceau. Chaque faisceau peut être dévié par un ou plusieurs miroirs passifs qui guident le faisceau de la source laser vers une tête de fabrication additive ou un dispositif de balayage qui dirige chaque faisceau sur la matière à consolider pendant le procédé de fabrication additive. Ainsi, on peut agencer la ou les sources laser dans la machine de fabrication additive selon leur encombrement et leurs contraintes spécifiques, par exemple concernant le refroidissement et l’alimentation électrique.
Par la suite, l’invention sera décrite pour le cas d’un faisceau laser sans pour autant limiter la portée de l’invention à ce type de machines. L’invention peut être appliquée de même manière à une machine de fabrication additive utilisant plusieurs faisceaux laser similaires ou différents.
Le faisceau laser incident présente un diamètre et un profil de répartition de puissance adapté au procédé de fabrication additive utilisé. En général, les miroirs passifs utilisés pour guider le faisceau conservent le diamètre et le profil de répartition de puissance.
Trajet du faisceau laser
En référence à la figure 3 et comme dans le dispositif connu illustré dans la figure 1 , un miroir semi-transparent 20 est disposé dans la machine de fabrication additive et prélève une partie 11 du faisceau 10 émis par la source laser. Le rapport de réflexion/transmission du miroir semi-transparent 20, est essentiellement indépendant de la puissance et de la répartition spatiale de la puissance du faisceau laser incident. La majeure partie 12 du faisceau passant à travers le miroir semi-transparent est utilisée dans la même machine pour la consolidation de la matière de départ dans le procédé de fabrication additive.
La partie prélevée 11 du faisceau est dirigée par le miroir semi-transparent et, de manière optionnelle, par d’autres éléments optiques tels qu’un réflecteur passif 31 , vers un module de mesure 500. Dans ce module 500 on mesure la puissance totale de la partie 11 du faisceau laser prélevée et donc du faisceau laser incident 10. Une vue détaillée d’un module 500 de mesure selon l’invention est représentée sur la figure 4. Le module de mesure 500 comprend un dispositif de focalisation 52 et une sphère intégratrice 50 dans laquelle est agencée un détecteur optique 60. Le détecteur optique 60 est par exemple une photodiode, ou tout autre détecteur adapté pour mesurer une puissance d’un faisceau laser présentant la même longueur d’onde que le faisceau laser incident 10. La sphère intégratrice 50 présente une ouverture 54 dans laquelle la partie prélevée 11 du faisceau est dirigée. L’ouverture 54 présente une section qui est typiquement inférieure à la section du faisceau laser incident 10. Le module de mesure 500 peut en outre comprendre une lame de prélèvement 57 et un dispositif d’absorption 51. D’autres éléments optiques peuvent être présents dans le module 500 afin de faciliter l’intégration dans la machine. De tels éléments optiques sont par exemple des miroirs réflecteurs passifs, des filtres, des fibres optiques ou tout autre dispositif ne modifiant pas la puissance du faisceau, ou modifiant la puissance du faisceau d’une manière linéaire et reproductible.
La partie prélevée 11 du faisceau est dirigée à travers l’ouverture 54 de la sphère intégratrice 50. En aval de ladite ouverture 54, la partie prélevée 11 du faisceau est concentrée par le dispositif de focalisation 52 de sorte que sa largeur soit minimale au passage de l’ouverture 54 de la sphère intégratrice 50.
La puissance de la partie prélevée 11 du faisceau peut davantage être réduite par la lame de prélèvement 57 qui est typiquement un deuxième miroir semi-transparent. Une telle réduction peut être nécessaire, par exemple, pour diminuer la puissance du faisceau et l’adapter à la spécification d’un capteur optique. Le rapport de réflexion/transmission de la lame de prélèvement 57 est choisi en fonction de la puissance du laser incident 10 et ainsi adapté à la puissance de la partie prélevée 11 du faisceau, et aux paramètres du détecteur 60 agencé dans la sphère intégratrice 50. Quand on utilise une telle lame de prélèvement 57, un dispositif d’absorption 51 est agencé sur un côté de cette lame de prélèvement 57 opposé au côté de cette lame de prélèvement qui reçoit la partie 11 prélevée du faisceau laser et qui émet la sous-partie 111 de cette partie 11 prélevée du faisceau laser. Afin de prévenir une fuite du faisceau transmis par la lame de prélèvement vers l’extérieur du module 500 et ainsi prévenirtout risque d’incendie, de brulure ou de blessure par le faisceau laser.
Le dispositif de focalisation 52 est typiquement une lentille convergente, par exemple une lentille convexe. Dans certains modes de réalisation, le dispositif de focalisation 52 est un système convergent comprenant plusieurs lentilles. De manière alternative, le dispositif de focalisation 52 peut être un miroir convergent agencé de sorte à diriger la partie prélevée 11 du faisceau à travers l’ouverture 54 de la sphère intégratrice 50. Dans le cas de présence d’une lame de prélèvement 57, le dispositif de focalisation 52 peut être intégré dans la lame de prélèvement 57. Dans ce cas, la lame de prélèvement 57 et le dispositif de focalisation 52 sont formés par un miroir convergent semi-transparent.
En référence à la figure 5, le dispositif de focalisation 52 peut être agencé en aval de la lame de prélèvement 57 et du dispositif d’absorption 51. En référence à la figure 6, le dispositif de focalisation 52 peut être agencé en amont de la lame de prélèvement 57 et du dispositif d’absorption 51. Il est en outre possible que le système de focalisation 52 comprenne plusieurs lentilles dont au moins une lentille agencée en amont et au moins une lentille agencée en aval de la lame de prélèvement 57. La dimension et l’orientation de la lame de prélèvement 57 sont adaptées en fonction du dispositif de focalisation 52 et de la position de ce dispositif 52 par rapport à la lame de prélèvement 57.
Les matériaux et surfaces des éléments optiques sont adaptés à la puissance et à la longueur d’onde du faisceau laser 10.
Comme illustré sur la figure 4, la sphère intégratrice 50 est une sphère creuse qui est typiquement en métal, en verre ou en céramique. La surface intérieure possède un facteur de réflexion diffuse élevé pour au moins la longueur d’onde du faisceau laser incident 10. Typiquement, la surface intérieure comprend un revêtement ou une peinture qui peut être en sulfate de baryum ou d’un composite de polytétrafluoroéthylène (PTFE) pour un faisceau dans la gamme spectrale de la lumière visible, ou en or pour un faisceau laser infrarouge. La sphère intégratrice 50 comporte une ouverture 54 qui est typiquement inférieure à la largeur du faisceau incident 10 et au diamètre de la sphère creuse.
A l’intérieur de la sphère intégratrice 50, les faisceaux lumineux provenant de n'importe quel point de la surface interne de la sphère sont distribués, en raison des multiples réflexions diffuses, de façon égale à tous les autres points de la sphère quelle que soit la direction originale de la lumière. La sphère intégratrice 50 peut être considérée comme un diffuseur qui conserve la puissance mais détruit l'information spatiale.
Sur une paroi interne 55 de la sphère intégratrice 50 est agencé un détecteur optique 60 adapté pour la mesure d’une intensité lumineuse, par exemple une photodiode. Le détecteur optique 60 est préférablement agencé de manière transversale par rapport à un faisceau passant par l’ouverture 54 de la sphère creuse, de sorte qu’il ne se trouve pas sur le trajet direct d’un tel faisceau. De manière illustrative et non limitative, la trajectoire entre le point central de la sphère creuse et le détecteur 60 peut former un angle droit avec la trajectoire entre le point central de la sphère creuse et l’ouverture 54. Ainsi, le détecteur 60 n'est pas exposé de manière directe à un faisceau incident dans la sphère intégratrice 50.
Si le procédé de fabrication additive n’utilise pas la largeur complète du faisceau incident 10, des diaphragmes peuvent être utilisés à différents endroits du trajet du faisceau 10, 11 , 12 de sorte que le profil de puissance du faisceau 111 entrant la sphère intégratrice 50 reste une image du profil de puissance du faisceau 12 utilisé pour le procédé de fabrication additive.
Dans certains cas, la machine de fabrication additive comprend une fibre optique, par exemple pour guider le faisceau de fabrication 12 vers une tête de fabrication dans une machine de DED. Dans ce cas, le dispositif de surveillance et de contrôle est de préférence agencé en aval de la source laser et en amont de la fibre optique. De manière illustrative et non limitative, le miroir semi-transparent 20 peut être agencé en amont d’un dispositif de focalisation utilisé pour focaliser le faisceau laser 12 dans la fibre optique.
Profil de répartition de puissance du faisceau
Le faisceau laser 10 émis de la source laser présente une puissance et un diamètre initial. La section du faisceau 10 présente une répartition de puissance selon un profil qui peut, dans certains cas, présenter une symétrie de rotation continue ou discrète. Dans certains cas on observe également des profils non symétriques. Quelques exemples de profils de répartition de puissance en perspective sont illustrés dans les figure 2A à 2H. La représentation en haut de chaque figure 2A à 2H respective illustre la répartition de puissance dans un plan perpendiculaire à la direction du faisceau laser, et la représentation en bas de chaque figure respective 2A à 2H illustre la répartition de la puissance en perspective. Dans cette représentation, les hauteurs correspondent aux intensités maximales et les zones plates correspondent aux intensités minimales. Un tel profil peut être un profil du type gaussien comme illustré sur les figures 2A et 2B, un profil multi-modes plus ou moins complexe comme illustré sur les figures 2C à 2G, ou un profil du type top- hat comme illustré sur la figure 2H tel que décrit ci-dessus.
Le profil de répartition 70a de la puissance laser de la partie prélevée 11 correspond au profil du faisceau incident 10, cependant il est proportionnellement plus faible en termes de puissance selon le rapport de réflexion/transmission du miroir semi-réfléchissant 20. La partie prélevée 11 présente donc une section similaire à la section transversale du faisceau laser incident 10, dont la puissance est atténuée proportionnellement sur toute l’étendue de la section. Le diamètre du faisceau 10, 11 reste constant lors de la réflexion au miroir semi- transparent.
Un réflecteur passif, qui est souvent utilisé dans une machine de fabrication additive afin d’ajuster le cheminement du faisceau 10, 11 ,12 aux contraintes mécaniques de la machine, modifie la direction du faisceau laser 10, 11 , 12. Cependant, le réflecteur passif ne modifie ni le diamètre ni le profil du faisceau laser 10, 11 , 12.
La lame de prélèvement 57 est un miroir semi-transparent. La partie 111 du faisceau prélevée par une telle lame 57 présente un profil de répartition de puissance 70a similaire au profil de la partie 11 du faisceau laser prélevée par le miroir 20. La puissance du faisceau prélevé par la lame de prélèvement 57 est atténuée proportionnellement sur toute l’étendue de la section selon le rapport de réflexion/transmission de la lame de prélèvement 57. Le diamètre et la section du faisceau 11 , 111 restent constants lors de la réflexion par la lame de prélèvement 57. La partie 111 présente donc également un profil et une section similaire au profil et à la section du faisceau incident 10 et à la section du faisceau de fabrication 12. La puissance est atténuée proportionnellement sur toute l’étendue de la section selon les rapports de réflexion/transmission de la lame de prélèvement 57 et du miroir semi- transparent 20.
Le dispositif de focalisation 52 concentre la partie prélevée 11 , 111 du faisceau laser en diminuant son diamètre, de sorte que le diamètre soit réduit sur un point au plan focal du dispositif de focalisation 52. La puissance totale du faisceau 11 , 111 reste constante. Le diamètre du faisceau 11 , 111 et l’extension spatiale du profil de puissance sont proportionnellement réduits lors du passage par le dispositif de focalisation 52. La puissance sur chaque zone du profil est proportionnellement augmentée, de manière à conserver la puissance globale du faisceau 11 , 111.
A l’entrée de la sphère intégratrice 50, le faisceau prélevé 11 , 111 présente donc un profil de puissance 70b atténué par un facteur connu et spatialement réduit selon le plan focal du dispositif de focalisation 52. La répartition spatiale de puissance correspond à une image réduite de la répartition du faisceau incident 10.
La partie 11 , 111 du faisceau focalisé dans l’ouverture 54 de la sphère intégratrice 50 est orientée sur la surface diffusante de la sphère creuse et subit ainsi une diffusion multiple à l’intérieur de la sphère intégratrice 50, produisant une intensité lumineuse homogène et proportionnelle à la puissance du faisceau 11 , 111 entrant la sphère intégratrice 50. Le détecteur optique 60 agencé sur la paroi intérieure 55 de ladite sphère intégratrice 50 reçoit donc une intensité lumineuse proportionnelle à la puissance du faisceau incident 10 émis par la source laser.
La mesure de la puissance est proportionnelle à la puissance totale du faisceau incident 10, et indépendante de la répartition de puissance du faisceau 10, 11 , 111. Ainsi, on peut utiliser le même dispositif lors d’un changement du profil de répartition de puissance du faisceau incident 10, par exemple après un changement des paramètres de la source laser ou un changement de la source laser, ou lors de variations du profil de répartition de puissance du faisceau incident 10 dans le temps.
Mesure et contrôle de puissance
Le détecteur optique 60 mesure une intensité qui est proportionnelle à la puissance globale du faisceau laser incident 10 émis par la source laser, indépendamment de la répartition de la puissance sur la section du faisceau 10, 11 , 111.
On peut effectuer des mesures de puissance ponctuelles, par exemple pour ajuster une source laser ou un dispositif de fabrication additive. On peut effectuer des mesures régulières afin d’assurer le bon fonctionnement de la machine, par exemple en début de fabrication ou à certaines étapes prédéfinies lors de la fabrication additive d’un objet.
De manière alternative, on peut utiliser le dispositif pour mettre en place un contrôle continu du faisceau laser incident 10. Dans ce cas, les intensités lumineuses mesurées par le détecteur 60 sont transmises à un système électronique de contrôle 80, qui comprend par exemple un microcontrôleur. Le système électronique de contrôle 80 peut calculer la puissance du faisceau laser 10, 11 , 12 à partir de l’intensité lumineuse mesurée, et comparer la puissance calculée avec une puissance cible adaptée pour le procédé de fabrication additive. Quand la puissance est supérieure à la puissance cible, le système électronique de contrôle 80 déclenche une baisse de la puissance de la source laser, et quand la puissance est inférieure à la puissance cible, le système électronique de contrôle 80 déclenche une augmentation de la puissance de la source laser. On peut ainsi finement régler la puissance du faisceau incident 10, ou programmer une hystérèse pour éviter des manipulations trop fréquentes de la source laser. Un tel réglage assure la bonne puissance du faisceau de fabrication 12 pendant tout le procédé de fabrication additive dans la machine équipée du dispositif de contrôle. Ainsi, on assure une température de consolidation de matière constante pendant le procédé de fabrication additive. Une température de consolidation constante permet d’éviter des tensions dans le matériau formé pendant le procédé de fabrication additive. Ainsi, on obtient des propriétés de matériau homogènes et une bonne qualité des pièces à fabriquer dans la machine.
La figure 7 illustre de manière schématique les étapes d’un tel processus de contrôle. L’intensité lumineuse du faisceau incident 10 est déterminée par le détecteur optique 60 dans une étape de mesure 600. Pendant une étape de transmission 610 les données sont communiquées au système électronique de contrôle 80. Le système électronique de contrôle déclenche ensuite une étape de réglage 800 de la source laser émettant le faisceau incident 10.
Dans certains faisceaux laser du type multimode, la répartition de puissance peut changer de manière abrupte lors d’un changement de mode de laser, par exemple en raison d’une variation de température, de l’alimentation électrique, ou d’une vibration mécanique. Un changement de profil abrupt peut également se produire lors d’un réglage de puissance via le dispositif de contrôle. Quand la puissance globale du faisceau reste constante lors d’une telle variation de répartition, le faisceau laser peut toujours être utilisé pour le procédé de fabrication additive et le système de contrôle continue à fonctionner. Si l’intensité globale subit une variation importante, on peut régler la source laser pour compenser la variation ou arrêter le procédé de fabrication additive. Du fait que la mesure par la sphère intégratrice 50 fonctionne indépendamment de la répartition de puissance du faisceau, le dispositif de contrôle peut également être utilisé en cas de variations de la répartition de puissance du faisceau dans le temps.
Avantages
Le dispositif de contrôle de puissance tel que décrit ci-dessus permet d’utiliser un faisceau laser de fabrication 12 présentant un profil de répartition de puissance quelconque. En particulier, on peut utiliser et contrôler des profils du type top-hat et des profils complexes émis par un laser en fonctionnement multimodes.
Le dispositif de contrôle permet l”utilisation d’un tel profil de faisceau. Les faisceaux complexes dont le top hat permettent d’augmenter le diamètre du faisceau et la température de fusion par rapport à un laser monomode présentant un profil gaussien. Un profil du type top-hat permet en particulier un gain en précision et en étendue de la zone chauffée. Un profil du type multimodes permet typiquement un gain en puissance du laser.
On peut donc fusionner la matière de départ de manière plus homogène et/ou à une température plus élevée, éviter ainsi les tensions à l’intérieur de la pièce à fabriquer et augmenter la qualité mécanique de la pièce à fabriquer. On peut également augmenter la vitesse de fabrication en utilisant un faisceau plus large, apte à consolider une surface plus large dans un temps donné.
Un tel faisceau permet en outre d’utiliser d’autres matières de départ nécessitant une température de consolidation plus élevée ou une distribution de chaleur plus homogène. Par exemple, on peut utiliser des granulométries différentes, plus grossières ou plus inhomogènes, dans le cas d’une matière sous forme de poudre, ou utiliser d’autres métaux ou alliages ayant une température de fusion plus élevée ou mettre en oeuvre des céramiques.
D’ailleurs, une source laser en fonctionnement multimodes présente une puissance plus élevée que la même source laser en fonctionnement monomode ou qu’une source laser de même encombrement et ayant le même besoin en alimentation électrique et en refroidissement, en fonctionnement monomode.
On peut donc, pour obtenir une puissance du faisceau laser de fabrication donnée, utiliser une source laser plus petite et/ou plus simple en fonctionnement multimodes. Une telle source laser présente, pour la même puissance de faisceau de fabrication, un encombrement moins important dans la machine et/ou des besoins en alimentation électrique et/ou refroidissement moins importants. Par exemple, on peut remplacer une source laser nécessitant un circuit de fluide de refroidissement par une source laser refroidie par un ventilateur ou par convection, ce qui simplifie largement l’intégration de la source laser dans une machine de fabrication additive.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Dispositif de surveillance et/ou de contrôle de puissance d’un faisceau (10) émis par un laser, ledit faisceau (10) étant adapté pour la fusion et/ou consolidation d’une matière de départ dans un procédé de fabrication additive, ledit dispositif comprenant un miroir semi-réfléchissant (20) agencé de sorte à prélever une partie (11 ) du faisceau laser (10) en amont de la matière de départ à fusionner et/ou consolider, et un détecteur optique 60, caractérisé en ce le dispositif comprend en outre o une sphère intégratrice (50) creuse, le détecteur optique (60) étant disposé sur une paroi intérieure (55) de ladite sphère intégratrice (50) de sorte à mesurer l’intensité lumineuse à l’intérieur de ladite sphère intégratrice (50), et o un dispositif de focalisation optique (52) agencé de sorte à focaliser la partie (11 ) prélevée du faisceau laser (10) dans la sphère intégratrice (50), de sorte que l’intensité lumineuse à l’intérieur de ladite sphère intégratrice (50) est proportionnelle à la puissance du faisceau émis par ledit laser, o une lame de prélèvement (57) adaptée pour prélever une sous-partie (111 ) de la partie (11 ) prélevée du faisceau laser, et o un absorbeur optique (51) agencé sur un côté de la lame de prélèvement (57) opposé au côté de cette lame de prélèvement qui reçoit la partie (11 ) prélevée du faisceau laser et qui émet la sous-partie (111 ) de cette partie (11) prélevée du faisceau laser.
2. Dispositif selon la revendication 1 , dans lequel le dispositif de focalisation optique (52) comprend une lentille convergente.
3. Dispositif selon la revendication 1 , dans lequel le dispositif de focalisation optique (52) comprend un agencement de plusieurs lentilles.
4. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le détecteur optique (60) est une photodiode.
5. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes dans laquelle le détecteur optique (60) est adapté pour mesurer la puissance pour une longueur d’onde comprise entre 400 et 1100 nm, et de préférence comprise entre 1030 et 1100 nm. Système de fabrication additive par fusion sélective par laser (SLM), comprenant une enceinte, un dispositif de dépôt de couches successives d’une matière de départ sous forme de poudre sur un support, au moins une source laser émettant un faisceau laser adapté pour solidifier progressivement et de manière sélective au moins une partie desdites couches, et un dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes de sorte à prélever une partie du faisceau émis par ladite source laser et de déterminer la puissance dudit faisceau par la mesure d’une intensité lumineuse à l’intérieur de la sphère intégratrice (50). Système de fabrication additive par dépôt d’énergie dirigée (DED), comprenant au moins une source laser émettant un faisceau laser adapté pour solidifier une matière de départ, une buse de fabrication comprenant au moins un orifice configuré pour distribuer de manière sélective ladite matière de départ et un orifice à travers lequel ledit faisceau laser sort de la buse, ledit système comportant une fibre optique adaptée pour guider le faisceau laser vers ladite buse de fabrication, et un dispositif de contrôle de puissance de laser selon l’une quelconque des revendications 1 à 6. Procédé de surveillance et/ou de contrôle de puissance d’un faisceau laser émis par une source laser (10), comprenant les étapes suivantes : o le prélèvement d’une partie (11) d’un faisceau émis d’un laser o la focalisation de ladite partie (11) prélevée du faisceau dans une sphère intégratrice (50) o la mesure (600) de la puissance à l’intérieur de la sphère intégratrice (50) par un détecteur optique (60), o l’utilisation de la portion (12) non-prélevée du faisceau (10) pour fusionner et/ou consolider une matière de départ dans un procédé de fabrication additive. Procédé de contrôle de puissance d’un faisceau selon la revendication 8, comprenant en outre une étape de transmission (610) de données du détecteur optique (60) vers un microprocesseur (80), et une étape de réglage (800) d’intensité du faisceau laser (10) provenant de la source laser.
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