Brevet FR2653369A1 — publié le 19910426

La présente invention concerne un dispositif permettant de recouvrir la surface de matériaux à l'aide de l'énergie d'un laser-de puissance (recouvrement par plasma au laser) comportant un axe longitudinal géométri- que, occupé par un faisceau laser, comportant un foyer traversé par l'axe longitudinal géométrique dans la région duquel on peut placer un matériau A usiner et comportant un dispositif d'alimentation permettant d'amener de la poudre dans la région du foyer, à l'aide d'un gaz de transport. L'invention s'étend également a un procédé de mise en oeuvre du dispositif. Il semble que l'on connaisse des dispositifs dans lesquels de la poudre est envoyée dans la région du foyer au moyen d'un gaz de transport. Mais la poudre est appliquée, décalée de façon quelconque par rapport l'axe longitudinal géométrique, de sorte que le volume de poudre n'est pas entièrement soumis aux mêmes conditions de procédé, pendant le recouvrement. Il s'ensuit des non-uniformités. Suivant que le dispositif et donc le faisceau laser - se déplace vers l'avant, vers l'arrière, latéralement ou d'une autre façon, on obtient des résul- tats de travail différents. Si l'on utilise par exemple une sorte de tube de soufflage comme dispositif d'alimen- tation, celui-ci doit souffler obliquement par rapport ' l'axe longitudinal géométrique. Il en résulte des direc- tions préférentielles de la couche appliquée qui repré- sentent un inconvénient. Si l'on prévoit une buse an- nulaire autour de l'axe longitudinal géométrique, le faisceau laser est pour ainsi dire gainé par la poudre. Dans ce cas, seule la poudre en retard parvient dans le faisceau laser. Le volume de poudre en avance ou amené latéralement est ainsi traité tout autrement, ou même pas traité du tout. On a aussi cet inconvénient que la perte de poudre est relativement élevée, car elle est emportée par soufflage, avant de se déposer sur la surface sous la forme d'une couche. L'invention a pour but de remédier aux inconvé- nients décrits ci-dessus et d'utiliser le faisceau laser pour ainsi dire à la manière d'un pinceau, pour appliquer la poudre. Ce but est atteint suivant l'invention grâce aux caractéristiques suivantes: (a) une tête qui laisse passer le faisceau laser en direction de l'axe longitudinal géométrique et qui possède une zone d'entrée et une zone de sortie pour le faisceau laser, est disposée autour de l'axe longitudinal géométrique et avant le foyer, (b) la tête possède un volume intérieur central, disposé autour de l'axe longitudinal géométrique, (c) le volume intérieur possède, dans la zone de sortie, un trou coaxial qui est un peu supérieur au diamètre du faisceau laser, (d) dans la zone d'entrée du volume intérieur, on prévoit au moins une buse d'admission pour le gaz de transport chargé de poudre et dont le jet est dirigé vers le volume intérieur. Une grande partie au moins du volume de la poudre volante se situe en même temps aussi dans la section transversale du faisceau laser. Une surface caractéristique est de l'ordre de 10 mm2. Suivant la finesse du faisceau laser, la surface peut naturellement être jusqu'à. dix fois inférieure ou supérieure. Il n'est pas absolument indispensable que la surface soit délimi- tée par un cercle. Cette surface peut aussi correspondre à celle d'une ellipse. On peut aussi focaliser le fais- ceau laser de manière qu'il soit beaucoup plus large qu'épais, pour ressembler à un pinceau. En conséquence, le trou coaxial doit aussi avoir une forme correspon- dante. Comme poudre on peut utiliser par exemple de la poudre céramique ou de la poudre métallique. L'utili- sation d'autres types de poudre est également possible. En outre, on peut utiliser des mélanges de types de poudre. En particulier pour la poudre céramique, la granulométrie peut descendre jusqu'à li/um. Pour de nom- breuses applications, il est recommandé d'utiliser une poudre aussi fine que possible qu'on peut même qualifier de poussière. Avec l'invention, on peut recouvrir les matériaux les plus divers tels que le métal, la cérami- que, le verre organique, la matière plastique, le bois, les matériaux biocompatibles, (par exemple les surfaces de glissement portantes d'articulations artificielles de la hanche, du genou ou similaire). On a constaté qu'on peut construire, à partir des particules de poudre suivant l'invention, des "murs" qui ont une largeur de 0,5 mm par exemple et qui sont six A sept fois plus hauts que larges. Ils ne se forment sur la pièce d'ouvrage que là o se trouve le faisceau laser. On peut ainsi fabri- quer des clichés pour l'imprimerie. On peut fabriquer des plaquettes de circuit. On peut fabriquer des surfaces a trois dimensions. On peut appliquer sur de l'aluminium des couches d'autres matières. Il est possible de recou- vrir des matières qui ne pouvaient l'être jusqu'A pré- sent. Dans tous les cas, on peut recouvrir aussi du verre minéral et de la pierre. Etant donné que le volume intérieur possède des parois obliques qui descendent vers le trou coaxial, le gaz de support et donc la poudre se concentrent vers celui-ci, et la poudre se mélange mieux, par suite de l'écoulement qui n'est jamais tout à fait laminaire. Du fait que les parois forment, au moins dans des zones essentielles, un cône cylindrique coaxial dont l'angle est supérieur à l'angle naturel de talus de la poudre, la poudre ne peut se déposer dans le volume intérieur. Grâce aux buses d'admission dont le nombre correspond aux types de constituants de la poudre, on obtient de meilleures possibilités de mélange. La vitesse du gaz de transport peut être adaptée aux caractéris- tiques de la poudre. Etant donné que la buse d'admission est disposée avec au moins des composantes tangentielles majoritaires par rapport au volume intérieur, on obtient la formation d'un tourbillon. Celui-ci se concentre vers l'axe longi- tudinal géométrique, c'est-A-dire lA o se trouve le faisceau laser, de sorte que celui-ci voit la poudre déj? très tôt et peut éventuellement la chauffer. Ceci dépend naturellement du degré de réflexion de la poudre. On obtient ainsi un flux homogène de poudre sur la section transversale, à travers le trou coaxial et un meilleur brassage, dans le cas o ceci est nécessaire. Du fait qu'on prévoit dans la cavité un frein d'impulsions de rotation pour le tourbillon engendré par le gaz de transport et la buse d'admission, on empêche qu'une très grande partie de la poudre ou de la poussière soit projetée vers l'extérieur, ce qui entraînerait l'impulsion de rotation. Etant donné que le frein d'impulsions de rotation est réglé de telle sorte que l'impulsion de rotation soit voisine de zéro dans le trou coaxial, le gaz de transport et donc la poudre ou la poussière ne s'étalent pratique- ment plus en éventail, vers le trou coaxial, ou seulement dans la mesure o on le souhaite. Si l'impulsion de rotation est nulle, le gaz de transport conserve, après avoir quitté le trou coaxial, la forme qu'on lui a donnée. Si donc le trou est rond, la section transversale du gaz de transport reste ronde. Si la section transversale est rectangulaire, celle du gaz de transport reste rectangulaire et ainsi de suite. Etant donné que le frein d'impulsions de rotation possède des surfaces de guidage du gaz, au moins dans la région située devant le trou coaxial, on obtient un frein d'impulsions de rotation passif. Suivant une variante de l'invention, on prévoit que les surfaces de guidage sont les flancs de rainure ou les flancs de nervure de guidage. On peut ainsi réaliser, de façon simple, des surfaces de guidage qui ne gênent pas le faisceau laser mais réduisent l'impulsion de rotation ou - suivant la forme - la suppriment. Si les flancs sont parallèles A l'axe géométrique longitudinal, on obtient des surfaces de guidage droites qui sont faciles A réaliser. Grâce au fait que les flancs sont disposés en spirale dans un sens contraire ou dans le même sens que la torsion du tourbillon, causée par l'impulsion de rotation, on peut efficacement produire une torsion antagoniste sur un court tronçon de spirale. Selon une variante de l'invention, le frein d'impulsions de rotation est un générateur d'impulsions de rotation monté en amont dont l'impulsion de rotation est de sens contraire A celle du dispositif. On obtient ainsi un frein d'impulsions de rotation actif, particu- lièrement simple dont l'action peut aussi être contr8ôlée et commandée pendant le fonctionnement. Si l'on utilise comme générateur d'impulsions de rotation monté en amont, un générateur du type décrit dans la demande de brevet allemand P39 18 363.7, on peut combiner la protection de l'objectif monté en amont et l'action d'un frein d'impulsions de rotation et donc exploiter doublement celui-ci. L'invention s'étend aussi à un procédé de mise en oeuvre du dispositif. Conformément à cette seconde caractéristique de l'invention, le procédé est caractérisé en ce qu'on envoie ensemble de la poudre et/ou de la poussière de matériaux différents. Les matériaux sont des métaux différents, ou des oxydes métalliques différents, ou bien de la matière plastique et de la céramique ou du métal et de la céramique, ou encore de la matière plastique et du métal. Dans une réalisation suivant l'invention, un matériau est présent en plus grande quantité que l'autre, ou bien un matériau l'emporte de beaucoup sur l'autre. On peut également envoyer deux matériaux et plus. Suivant une autre forme de réalisation de l'invention, on mélange de la poudre de métal lourd et de la poudre de céramique. Diverses autres caractéristiques de l'invention ressortent d'ailleurs de la description détaillée qui suit. Des formes de réalisation de l'objet de l'in- vention sont représentées, à titre d'exemples non limita- tifs, aux dessins annexés. La figure 1 est une vue schématique de l'inven- tion, combinée avec un frein d'impulsions de rotation actif. La figure 2 est une vue schématique d'un disposi- tif suivant l'invention, en partie ouvert avec un frein d'impulsions de rotation passif. La figure 3 est une vue ouverte et en coupe de la région inférieure du dispositif suivant l'invention avec un autre frein d'impulsions de rotation passif. La figure 4 est une vue schématique en perspec- tive d'un mur. Le long d'un axe longitudinal géométrique 11, un laser non représenté envoie un faisceau vers le bas. Ce faisant, il traverse un système optique 12 qui peut être un dispositif à lentille et/ou un dispositif à miroir. Dans le système optique 12, le faisceau laser est res- serré. Dans l'exemple de réalisation, on a donc un rayon 13 qui produit, en bas, un foyer 14 circulaire, par exemple de 2 mm de rayon. Ce foyer se situe au-dessus de la surface 16 d'une pièce d'ouvrage 17 A recouvrir. L'emplacement du foyer 14 au-dessus ou au maximum dans la surface 16 est préféré à l'ancien emplacement, au-dessous de la surface 16. Au-dessous du système optique 12, on prévoit un générateur d'impulsions de rotation 18, semblable aux générateurs d'impulsions de rotation dé- crits dans la demande de brevet allemand P39 18 363.7 du 6 juin 1969. Le générateur d'impulsions de rotation 18 utilisé ici possède un volume intérieur 19 dont la paroi 21 cylindrique circulaire est coaxiale à l'axe longitu- dinal géométrique 11. Un conduit 22 pour le gaz de protection débouche tangentiellement dans cette paroi 21. Vers le bas, la paroi 21 cylindrique circulaire se prolonge par une paroi 23 en forme de c8ne circulaire, coaxial à l'axe longitudinal géométrique 11 et également imperméable au gaz. Vers le haut, le gaz ne peut pas s'échapper du volume intérieur 19, ou en petites quanti- tés seulement, à cause de moyens supplémentaires qui n'intéressent pas ici. La paroi 23 en forme de cône cir- culaire possède & sa partie inférieure, un trou 24 circulaire, coaxial. L'embouchure 26 et la direction tangentielle du conduit 22 sont telles qu'il peut se former un tourbillon de gaz dans le volume intérieur 19 qui tourne, par exemple, dans le sens des aiguilles d'une montre. On sait que l'impulsion de rotation est constante sur la section transversale. Etant donné que le rayon diminue de plus en plus, plus le gaz s'approche de l'axe longitudinal 11 géométrique, à cet endroit, sa vitesse de rotation doit être beaucoup plus grande qu'à l'embouchure 26, de manière que la vitesse de rotation augmente, au fur et à mesure qu'on s'approche du trou 24. A cause de la friction, elle n'est naturellement pas infinie dans l'axe longitudinal 11 géométrique. L'une des fonctions du générateur d'impulsions de rotation 18 est d'éloigner du système optique 12, les particules projetées au-dessus de la surface 16. Ces particules sont, selon la demande précitée, projetées vers l'extérieur, par le tourbillon, contre la paroi 23 en forme de cône cylindrique, au plus tard contre la paroi 21 cylindrique circulaire et ne peuvent brûler dans le système optique 12 ni donc provo- quer de dommages. Un autre générateur d'impulsions de rotation 27 actif est monté en aval du générateur d'impulsions de rotation 18. Il produit une impulsion de rotation dans le sens contraire à celui du générateur d'impulsions de rotation 18, c'est-à-dire dans le sens contraire aux aiguilles d'une montre. Il possède une bague de couver- ture 29 coaxiale, perpendiculaire t l'axe longitudinal 11 dans le trou intérieur 31 duquel est logée la paroi 23, avec sa région inférieure, de sorte qu'elle s'engage partiellement dans le générateur d'impulsions de rotation 27. La liaison entre la bague de couverture 29 et le générateur d'impulsions de rotation 18 est étanche au gaz. A la partie inférieure, la bague de couverture 29 se prolonge, de manière étanch'e au gaz, par une paroi 32 coaxiale, cylindrique circulaire. Elle se prolonge, à la partie inférieure, de manière étanche au gaz, par une paroi 33 conique circulaire. Cette dernière possède, & sa partie inférieure, un trou 34 cylindrique coaxial qui est au moins suffisamment grand pour ne pas toucher le rayon 13. Le trou 24 est coaxial à l'axe longitudinal géométri- que 11. Un conduit 37 débouche, par une embouchure 36, dans la paroi cylindrique circulaire 32 et donc dans le volume intérieur 38 du générateur d'impulsions de rota- tion 27. Le conduit 37 avec l'embouchure 36 est placé de façon que le gaz insufflé produise une impulsion de rotation, dans le sens opposé au conduit 22. Comme le conduit 22, le conduit 37 est relié à une source de gaz inerte, par exemple à une source de gaz noble qui est sous pression. En plus, le conduit 37 est au moins indirectement relié à un récipient de poudre et/ou un récipient de poussière qui contient le matériau néces- saire au recouvrement. Les trous 24, 34 sont séparés par une grande distance 39. La distance séparant le trou 34 de l'embouchure 26 est de l'ordre de plusieurs centimè- tres, par exemple quatre à sept centimètres. Pour le fonctionnement, on enclenche le laser de manière à avoir le rayon 13. A travers le conduit 22, on insuffle du gaz inerte. Un tourbillon ressort alors à la partie basse, du trou 24. A travers le conduit 37, on insuffle aussi un gaz inerte qui entraîne la poudre ou la poussière du type souhaité. Il se produit alors dans le volume intérieur 38, un tourbillon de sens opposé au précédent dont la formation est encore favorisée par la paroi 23 conique circulaire, si elle est prévue dans le volume intérieur 38. Au-dessous du trou 24, le tourbil- lon, tournant vers la droite, provenant de tout en haut, rencontre le tourbillon, tournant vers la gauche, du volume intérieur 38. Le long de la distance 39, l'impul- sion de rotation s'annule progressivement, de sorte qu'on a au moins dans le trou 34 un écoulement principalement axial, le long de l'axe longitudinal géométrique 11 dont la section transversale est déterminée par la géométrie du trou 34. Si le trou 34 est rond, la poudre et/ou la poussière est insufflée de manière cylindrique circu- laire. Si le trou 34 est elliptique, la poussière et/ou la poudre ressortent sous la forme d'une "barre" ellipti- que. Si le trou 34 a la forme d'un rectangle allongé, il en va de même. Dans ce cas, il est avantageux, par exemple, de concentrer le rayon 13 de manière qu'il ait lui-même une forme rectangulaire. Sur le parcours de la distance 39 et également au-dessous du trou 34, le rayon 13 tombe sur les grains de poussière et/ou de poudre et chauffe ceux-ci, suivant leur pouvoir d'absorption. On peut faire en sorte que les grains de poussière et/ou de poudre cuisent totalement ou partiellement le long de la distance 39. Dans le cas o ceux-ci s'agglomèrent en morceaux, par cuisson ou fusion, le rapport poids/surface augmente, de sorte qu'ils sont moins facilement déviés de leur voie axiale, par le gaz de support divergent et qu'ils tombent sur la pièce d'ouvrage 17, plus près de l'axe longitudinal géométrique 11. Au foyer 14, la poudre et/ou la poussière est A la température nécessaire au recouvrement, de sorte que la couche influence la surface 16. Cette influence peut se faire en ce que la couche recouvre la surface 16 et/ou forme un "mur" et/ou réalise un alliage de surface avec le matériau de la pièce d'ouvrage 17, dans le cas o le matériau convient à cet effet. Dans l'exemple de réalisation de la figure 2, il manque le générateur d'impulsions de rotation 18 supé- rieur. A la place de celui-ci, on a prévu ici des nervu- res de guidage 41 en forme de rayon, avant le trou 34 et dont les surfaces de flanc 42 freinent le tourbillon avant le trou 34 et parallélisent l'écoulement de gaz, par rapport à l'axe longitudinal géométrique 11. On empêche aussi de la sorte qu'il se produise une impulsion de rotation importante derrière le trou 34, impulsion de rotation qui projetterait vers l'extérieur la poudre et/ou la poussière. Une impulsion de rotation résiduelle peut naturellement ne pas avoir d'effet nocif. En plus de l'embouchure 36 et du conduit 37, on prévoit, dans le deuxième exemple de réalisation, un deuxième conduit 43 avec l'embouchure 44. Dans ce cas, le gaz inerte insufflé à travers les conduits 37 et 43 produit le tourbillon, conjointement avec la forme du volume intérieur 38. On peut maintenant insuffler par exemple un type de poudre et/ou de poussière, par le conduit 37 et un autre type par le conduit 43. En outre, la concentration de ces constituants peut varier dans le temps, de sorte qu'on obtient des rapports de mélange différents des poussières et/ou des poudres. En des points déterminés de la surface 16, il peut être utile d'appliquer une plus grande quantité d'un constituant et en d'autre points, une plus grande quantité de l'autre constituant. On peut ainsi facilement diriger l'opération. On peut aussi prévoir plus de deux embouchures de soufflage. La figure 3 représente un deuxième frein d'impul- sions 48 passif. Au-dessus du trou 34, on a usiné ici des rainures 46 coaxiales qui sont dirigées à l'opposé du sens et du déplacement du tourbillon, de sorte que dans le trou 34, l'impulsion de rotation est également nulle ou au moins à peu près nulle. La vue de la figure 3 est schématique. La figure 4 montre un mur que l'on peut cons- truire sur la surface 16. On y aperçoit encore les différents grains de poudre 47, tels qu'on les voit au microscope. Le mur a une largeur d'environ 0,5 mm et une hauteur de 3,5 mm. Il dépend de paramètres de fonction- nement, facilement réglables, que la poudre se constitue en mur ou coule sur la surface 16. Des débits caractéristiques de gaz inerte se situent entre 0,05 et 1 m3/heure. Les quantités caracté- ristiques de poudre sont de 10 g de poudre/minute. Si l'on a le choix, les granulométries plus grosses conviennent mieux que les plus petites, car dans ce cas, le rapport poids/surface est supérieur et le rendement de la poudre est donc meilleur. REVENDICATIONS 1. Dispositif permettant de recouvrir la surface de matériaux à l'aide de l'énergie d'un laser de puis- sance (recouvrement par plasma au laser) comportant un axe longitudinal géométrique (11), occupé par un faisceau laser, comportant un foyer (14) traversé par l'axe longitudinal géométrique dans la région duquel on peut placer un matériau à usiner (17) et comportant un dispo- sitif d'alimentation permettant d'amener de la poudre dans la région du foyer, à l'aide d'un gaz de transport, caractérisé par les caractéristiques suivantes: (a) une tête qui laisse passer le faisceau laser (13) en direction de l'axe (11) longitudinal géométrique et qui possède une zone d'entrée et une zone de sortie pour le faisceau laser, est disposée autour de l'axe longitudinal géométrique et avant le foyer, (b) la tête possède un volume intérieur central (19), disposé autour de l'axe longitudinal géométrique, (c) le volume intérieur possède, dans-la zone de sortie, un trou coaxial (24) qui est un peu supérieur au diamètre du faisceau laser, (d) dans la zone d'entrée du volume intérieur, on prévoit au moins une buse d'admission (22) pour le gaz de transport chargé de poudre et dont le jet est dirigé vers le volume intérieur (19). 2. Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé en ce que le volume intérieur (19) possède des parois obliques descendant vers le trou coaxial (24). 3. Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé en ce que les parois forment, au moins dans des zones essentielles, un cône cylindrique (33) coaxial dont l'angle est supérieur à l'angle naturel de talus de la poudre. 4. Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé en ce qu'on prévoit un nombre de buses d'admission (22, 37) correspondant aux types de composants de la poudre. 5. Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé en ce que la buse d'admission (22, 37) est disposée avec au moins des composantes tangentielles majoritaires par rapport au volume intérieur. 6. Dispositif selon les revendications 1 et 5, caractérisé en ce qu'on prévoit dans la cavité (19) un frein d'impulsions (48) de rotation pour le tourbillon engendré par le gaz de transport et la buse d'admission (22, 37). 7. Dispositif selon la revendication 6, caracté- risé en ce que le frein d'impulsions (48) de rotation est réglé de telle sorte que l'impulsion de rotation est voisine de zéro dans le trou coaxial (34). 8. Dispositif selon la revendication 7, caracté- risé en ce que l'impulsion de rotation est nulle. 9. Dispositif selon la revendication 6, caracté- risé en ce que le frein d'impulsions (48) de rotation possède des surfaces (42) de guidage du gaz, au moins dans la région située devant le trou coaxial (34). 10. Dispositif selon la revendication 9, caracté- risé en ce que les surfaces (42) de guidage sont les flancs de rainures. 11. Dispositif selon la revendication 9, caracté- risé en ce que les surfaces de guidage (42) sont les flancs de nervures de guidage. 12. Dispositif selon la revendication 10 ou 11, caractérisé en ce que les flancs sont parallèles A l'axe longitudinal géométrique. (11) 13. Dispositif selon la revendication 10 ou 11, caractérisé en ce que les flancs sont disposés en spirale dans un sens contraire ou dans le même sens que la torsion du tourbillon, causée par l'impulsion de rota- tion. 14. Dispositif selon la revendication 6, caracté- risé en ce que le frein d'impulsions (48) de rotation est un générateur d'impulsions de rotation monté en amont dont l'impulsion de rotation est de sens contraire à celle du dispositif. 15. Dispositif selon la revendication 14, carac- térisé en ce que le générateur d'impulsions de rotation monté en amont est du type possédant un volume intérieur (19) dont la paroi (21) cylindrique circulaire est coaxiale à l'axe géométrique (11). 16. Procédé de mise en oeuvre d'un dispositif selon l'une des revendications 1 à 15, caractérisé en ce qu'on envoie ensemble de la poudre et/ou de la poussière de matériaux différents. 17. Procédé selon la revendication 16, carac- térisé en ce que les matériaux sont des métaux diffé- rents. 18. Procédé selon la revendication 17, carac- térisé en ce que les matériaux sont des oxydes métal- liques différents. 19. Procédé selon la revendication 17, caracté- risé en ce que les matériaux sont de la matière plastique et de la céramique. 20. Procédé selon la revendication 17, caracté- risé en ce que les matériaux sont du métal et de la céramique. 21. Procédé selon la revendication 17, carac- térisé en ce que les matériaux sont de la matière plas- tique et du métal. 22. Procédé selon la revendication 17, caracté- risé en ce qu'un matériau est présent en plus grande quantité que l'autre. 23. Procédé selon la revendication 22, caractéri- sé en ce qu'un matériau l'emporte de beaucoup sur l'autre. 24. Procédé selon la revendication 23, caracté- risé en ce qu'on envoie deux matériaux et plus. 25. Procédé selon la revendication 24, caracté- risé en ce qu'on mélange de la poudre de métal lourd et de la poudre de céramique.