Brevet FR2823688A1 — publié le 20021025

C:\WiNDOWS\Bureauiouveau dossier\1 9449FR.doc - I i avril 2002 - I 1/12 DISPOSITIF DE FUSION DE MATIÈRE PAR FAISCEAU LASER DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne un dispositif de fusion de matière par faisceau laser. Elle s'applique notamment au dépôt de matière sur un substrat ainsi qu'à la génération de formes, en particulier dans le domaine de la fabrication de moules. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE On connaît déjà des dispositifs de fusion de matière par faisceau laser. Des exemples de tels dispositifs sont schématiquement représentés sur les figures 1 et 2. Dans ces exemples, on souhaite déposer une matière 2 sur un substrat 4, cette matière étant fusible par un faisceau laser 6 dont l'axe X est perpendiculaire au substrat 4. Le faisceau laser 6 est focalisé par des moyens optiques appropriés 8 en un point de son axe X. La matière est apportée, sous forme de poudre ou de fil 9, latéralement par rapport à cet axe X, au niveau de la zone de focalisation o elle est fondue. La poudre (ou le fil) 9 est amenée et guidée vers la zone de focalisation par un ou plusieurs conduits 10, chaque conduit étant terminé par une buse 12 qui est inclinée par rapport à l'axe X, comme on le voit sur la figure 1. B 13713.3 PV Dans l'exemple de la figure 2, on utilise une poudre 9 de matière fusible et cette poudre est amenée par une buse annulaire convergente 14 dont l'axe est l'axe X du faisccau laser 6. Les dispositifs connus de fusion de matière par faisceau laser présentent un inconvénient: avec ces dispositifs, la matière n'est pas fondue de manière homogène car une partie de cette matière n'est pas couverte par le faisceau laser. EXPOSÉ DE L' INVENTION La présente invention a pour but de remédier à l'inconvénient précédent et propose un dispositif capable de fondre la matière de facon beaucoup plus homogène que dans l'art antérieur. De facon précise, la présente invention a pour objet un dispositif de fusion de matière par laser, ce dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend: - des moyens d'apport d'une matière qui est fusible par un faisceau laser, ces moyens d'apport ayant une sortie sur un premier axe et étant aptes à émettre la matière par cette sortie suivant ce premier axe, et - des moyens optiques aptes à répartir réqulièrement le faisceau laser sur le pourtour du premier axe et à focaliser ce faisceau laser en un point de ce premier axe, en regard de la sortie des moyens d'apport de matière. Selon un mode de réalisation particulier du dispositif objet de l' invention, les moyens optiques comprennent: B 13713.3 PV - des moyens de mise en forme du faisceau laser, aptes à répartir régulièrement ce faisceau laser autour d'un deuxième axe, et - des moyens de focalisation, sur le point du premier axe, du faisceau laser ainsi réqulièrement réparti. Dans certains exemple de l' invention, les premier et deuxième axes peuvent être confondus. Les principaux avantages de l' invention sont que la matière se trouve complètement entourée par le faisceau laser focalisé au moment o elle est fondue et quelle arrive par l'intérieur du faisceau laser, ce qui assure une meilleure efficacité du faisceau laser. La précision et la qualité des dépôts de matière obtenus avec l' invention sont également améliorés. Selon un premier mode de réalisation particulier de l' invention, les moyens de mise en forme du faisceau laser comprennent des moyens de division de ce faisceau laser en plusieurs faisceaux laser élémentaires qui sont réqulièrement répartis autour du deuxTème axe. Selon un deuxième mode de réalisation particulier, les moyens de mise en forme du faisceau laser comprennent des moyens de transformation de ce faisceau laser en un faisceau laser annulaire dont l'axe est le deuxTème axe. Dans le cas de ce deuxTème mode de réalisation particulier, on peut utiliser des moyens de transformation qui sont aptes à réfléchir le faisceau laser. B 13713.3 PV Alors, les moyens de transformation peuvent comprendre des premier et deuxième miroirs coaxiaux, le premier miroir étant un miroir conique dont l'axe est le deuxième axe et le deuxième miroir étant un miroir tronconique qui entoure le premier miroir et qui est parallèle à ce premier miroir. Dans le cas du deuxième mode de réalisation particulier, au lieu de moyens de transformation réflecteurs, on peut utiliser des moyens de transformation comprenant des premier et deuxième éléments optiques transparents, ayant un axe commun constitué par le deuxième axe, disposés à la suite l'un de l'autre le long de cet axe et coopérant l'un avec l'autre pour former le faisceau laser annulaire. On peut choisir les moyens de focalisation parmi les optiques convergentes et les miroirs paraboliques hors d'axe (" off axis parabolic mirrors "). Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, les moyens de focalisation comprennent une optique convergente, prévue pour focaliser le faisccau laser et des moyens de réflexion du faisceau laser ainsi focalisé. Dans le dispositif objet de l'invention, les moyens d'apport peuvent comprendre une buse dont l'axe est le premier axe et qui comporte un perçage dont l'extrémité forme la sortie des moyens d'apport. Dans certains exemples de l'invention, les moyens de focalisation peuvent être traversés par ces moyens d'apport. B 13713.3 PV BRÉVE DESCRIPTION DES DESSINS La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés ci-après, à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels: À les figures 1 et 2 sont des vues schématiques de dispositifs connus de fusion de matière par faisceau laser et ont déjà été décrites, À la figure 3 illustre schématiquement le principe de la présente invention, À la figure 4 est une vue en coupe longitudinale schématique d'une buse utilisable dans la présente invention, À les figures 5A et 5B sont des vues en perepective schématique de moyens optiques réflecteurs utilisables dans la présente invention pour la mise en forme d'un faisceau laser, À les figures 6A et 6B sont des vues en perspective schématique de moyens optiques qui fonctionnent par transmission et sont également utilisables dans la présente invention pour la mise en forme d'un faisceau laser, À la figure 7 est une vue schématique d'un mode de réalisation particulier du dispositif objet de l' invention, qui utilise des moyens optiques de mise en forme du genre de ceux de la figure 5A, À la figure '3 est une vue schématique d'un autre mode de réalisation particulier du dispositif objet de ltinvention, qui utilise des moyens optiques de mise en forme du genre de ceux de la figure 6A, et B 13713.3 PV À la figure 9 est une vue schématique d'un autre mode de réalisation particulier qui utilise également des moyens optiques de mise en forme du genre de ceux de la figure 5A. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Le principe du dispositif objet de l' invention est schématiquement illustré par la figure 3. Dans ce dispositif, l'apport de matière se fait de fac,on centrale et le faisceau laser permettant de fondre la matière est. quant à lui, mis en forme de fac,on à arriver latéralement sur la matière. La référence 16 de la figure 3 symbolise l'extrémité des moyens qui apportent la matière suivant un axe Z. cette extrémité comprenant de préférence une buse, et la référence 18 symbolise le faisceau laser focalisé qui arrive latéralement par rapport à cet axe Z. sur le pourtour de l'arrivée de matière, contrairement aux dispositifs connus. On notera que la figure 3 peut être considérse comme une vue en coupe des dispositifs des figures 7 à 9, dans un plan perpendiculaire à l'axe Z. au niveau de la buse que comportent ces dispositifs. On utilise des moyens permettant l'apport de matière sous forme d'une poudre ou d'un fil. La poudre (par exemple faite à partir d'un métal tel que l'Inconel, un alliage dinox, un alliage à base de titane par exemple) arrive par un conduit perpendiculaire au substrat sur lequel on veut la déposer et, après fusion, se dépose sur ce substrat. Cette poudre peut être transportée par un gaz porteur B 13713.3 P ne réagissant pas avec elle, par exemple l' argon ou l'hélium, ou entraînce par des moyens appropriés dapprovisionnement en poudre. Dans le cas o l'on utilise un fil (par exemple un fil en un métal tel que l'Inconel, un alliage d'inox, un alliage à base de titane par exemple) , ce dernier peut arriver de la même manière que la poudre, par un conduit perpendiculaire au substrat. De préférence, on prévoit alors des moyens de déroulement du fil pour maîtriser l'arrivée de celui C1. Le faisceau laser destiné à fondre la matière est par exemple engendré, par un laser à CO2 ou par un laser YAG. Les moyens de mise en forme du faisceau laser sont par exemple des moyens de division de ce faisceau en plusieurs parties, par exemple trois faisceaux élémentaires, que l'on répartit réqulièrement autour de l'axe d'arrivée de la matière et que l'on focalise ensuite en un même point situé sur cet axe, en regard de cette arrivoe de la matière. Sur le schéma de la figure 3, on a représenté en pointillé les trois faisceaux élémentaires 20 qui sont situés à 120 les uns des autres autour de l'axe Z. Pour former ces trois faisceaux lasers élémentaires 20 de la figure 3, on utilise par exemple trois fibres optiques dont des extrémités respectives sont optiquement couplées à un laser. On peut ensuite focaliser ces trois faisceaux élémentaires sur l'axe Z. en regard de la B 13713.3 PV sortie des moyens d'apport de matière, par exemple au moyen d'une lentille convergente. Dans un autre exemple, les moyens de mise en forme du faisceau laser comprennent un système du genre " axicon ", comme on le verra mieux par la suite, et donnent alors à ce faisccau une forme annulaire. L'anneau lumineux obtenu entoure alors l'arrivée de matière et cet anneau est focalisé en un point de l'axe selon lequel arrive la matière, en regard de l'arrivée de matière, grâce à des moyens de focalisation sur lesquels on reviendra par la suite. On considère maintenant des exemples de divers composants d'un dispositif conforme à ltinvention, à savoir des moyens d'apport de matière, des moyens de mise en forme du faisceau laser et des moyens de focalisation de ce faisceau. On décrira ensuite plusieurs dispositifs conformes à l' invention dans lesquels on combine ces composants. Considérons d'abord les moyens d'apport de matière. Ces derniers comprennent de préférence un conduit 22 dont la partie inférieure 24 se termine par une buse 26 comme on le voit sur la figure 4. Le conduit 22 permet de guider la matière 28 qui peut être sous la forme d'une poudre ou d'un fil. La buse 26 est faite d'un matériau qui résiste à la chaleur à cause de la proximité du faisccau laser. La forme de cette buse est conique afin de minimiser la taille de l'extrémité inférieure des moyens d'apport de matière. De plus, la buse 26 est percée d'un trou 30 dont l'axe est l'axe Z. le diamètre B 13713.3 PV de ce trou 30 est inférieur au diamètre interne du conduit 22 et correspond au diamètre du fil ou du jet de poudre obtenu. L'extrémité 31 du trou 30 constitue la sortie des moyens d'apport de matière. Considérons maintenant la mise en forme du faisceau laser. Elle peut se faire avec des moyens fonctionnant par réflexion ou par transmission. Considérons d'abord des exemples de moyens de mise en forme fonctionnant par réflexion. La figure A est une w e en perspective schématique de tels moyens. Ces derniers comprennent divers éléments dont la surface réfléchit le faisceau laser incident. On choisit le matériau constitutif de ces éléments en fonction du genre de laser utilisé. Dans l'exemple de la figure 5A, les moyens de mise en forme comprennent un élément central 32 qui comporte une paroi réflectrice 32a ayant la forme d'un cône à base cTrculaire dont l'axe est l'axe Y du faisceau laser incident 34 et dont le sommet est tourné vers ce faisceau 34. Ces moyens de mise en forme comprennent aussi un élément périphérique 36 comportant une paroi interne réLlectrice 36a qui a une forme tronconique, dont l' axe est également l ' axe Y et qui s'appuie aussi sur un cône à base cTrculaire ayant le même demi-angle au sommet que le cône central, les parois réflectrices 32a et 36a étant donc parallèles. La paroi conique 32a reçoit le faisceau laser incident 34 et lui donne la forme annulaire. La paroi 36a repoit la lumière réfléchie par la paroi 32a B 13713.3 PV eL fournit, par rflex10n, un faisceau laser annulaire parallle. Des moyens de mise en forme du genre de ceux de la figure SA sonL uLiliss dans les disosiLifs des figures 7 eL 9. On auLre exele eL schmaLiquement reprsenL en perspecLive sur la figure SB. CeL exemple uLilise une sLtucLure analogue celle de la figure SA mais, dans le cas de la figure 5B, la base du cane de la paroi rflecLice 32b de l'6lmenL cenLal forme un olygone eL le cane sur lequel s'appuie la paroi rflecLice 36b de l'6lmenL p6ribrique forme aussi un olygone gui eL arallle au 6cdent et a le mme nombre de C3L6s gue ce dernier. Dans 1'exemple de la figure SB, ces olygones sonL des bexagones. Consid6rons maintenanL des exemles e moyens de mise en forme foncLionnanL par transmission. Ces exemples sont schmatiquement repr@senL6s en perspecLive sur les figures 6A eL 65. ans 1'exemple de la figure 6A, on uLilise deux lmenLs 38 eL 40 lacAs en vIs--vis, LransarenLs au faisceau laser incidenL 34 eL ccaxiaux, 1'axe commun ces lmenLs LanL 1'axe du faisceau laser incidenL. On cboisit le maL4riau consL1Lutif des lmenLs en foncLion du genre de laser utilis6. L'6lmenL 38 ossde une acoi conigue concave 38a, donL l'axe esL l'axe Y et ui regoit le faisceau laser incident 34, et une paroi lane opose cette aroi conique eL perpendiculaire 1'axe Z. B 13713.3 PV L'élément 40 possède une paroi conique convexe 40a, dont l'axe est l'axe Y et qui reçoit la lumière provenant de l'élément 38, et une paroi plane opposée à cette paroi conique convexe et perpendiculaire à l' axe Y. Les moyens de mise en forme fonctionnant par transmission que l'on voit sur la figure 6A sont utilisés dans le dispositif conforme à l' invention schématiquement représenté sur la figure 8. Avec ces moyens de la figure 6A, le faisceau laser incident 34 traverse le premier élément 38 des moyens de mise en forme. Ce faisceau est alors mis en forme annulaire et divergente. L'élément 40 permet de retrouver un faisceau annulaire parallèle. Dans la variante de la figure 6B, la paroi conique concave de l'élément 38 est remplacée par une paroi pyramidale concave 38b à N pans et la paroi conique convexe de l'élément 40 est remplacée par une paroi pyramidale convexe 40b à N pans, N étant un nombre entier égal à 4 dans l'exemple représenté. On considère maintenant les moyens de focalisation. Après avoir été mis en forme, le faisccau laser est focalisé vers la sortie des moyens d'apport de matière et, plus précisément, en regard de cette sortie et sur l'axe Z du faisceau. Dans le cas dun faisceau provenant d'un laser YAG, on utilise de préférence des moyens de focalisation fonctionnant par transmission (et comprenant une ou plusieurs lentilles). Dans le cas d'un laser à CO2, on peut par exemple utiliser un B 13713.3 PV miroir parabolique hors d' axe. Un tel miroir est d'ailleurs utilisé dans l'exemple de la figure 9. Il est par exemple en cuivre ou en molybJène. Avec un laser à CO2, on peut également utiliser des moyens de focalisation fonctionnant par transmission et fabriqués à partir de matériaux appropriés à la longueur d'onde du faisceau laser (par exemple une lentille en ZnSe) si la puissance du laser le permet. On considère maintenant des exemples du dispositif objet de l' invention en faisant référence aux figures 7, 8 et 9. Sur la figure 7, on voit le laser 42 fournissant le faisceau 34 dont l ' axe est l 'axe Y et que l'on veut mettre en forme puis focaliser. On voit aussi des moyens 44 de fourniture de la matière 45 qui est fusible par le faisceau laser et que l'on veut déposer, après fusion par le faisccau laser, sur un substrat 46. La référence 48 désigne le dépôt ainsi formé. Les moyens 44 de fourniture de matière sont suivis des moyens d'apport de matière. Ces moyens dapport de matière comprennent le conduit 22 terminé par la buse 26 dont l'axe Z (perpendiculaire à la surface du substrat sur laquelle on dépose la matière) est aussi l'axe du faisceau laser focalisé. On voit en outre un système axicon 50 du genre de celui de la figure 5A. Ce système est suivi par une lentille de focalisation 52 dont l'axe est l'axe Z. Dans cet exemple de la figure 7, l'axe Z est confondu avec l'axe Y. B 13713.3 PV Dans l'exemple de la figure 8, on utilise encore le laser 42 fournissant le faisceau 34 dont l'axe est l'axe Y. Ce laser est suivi par des moyens de mise en forme 54 du genre de ceux de la figure 6A. Ces moyens de mise en forme 54 sont suivis par une lentille de focalisation 56 dont l 'axe est l' axe Y. Le faisceau laser mis en forme et focalisé, issu de la lentille 56, est réfléchi par un miroir plan 58 placé à 45 de l'axe Y. Le faisccau ainsi réfléchi a pour axe l 'axe Z (perpendiculaire à l ' axe Y dans l'exemple de la figure 8) et ce faisceau est encore focalisé sur cet axe en regard de la sortie 31 des moyens d'apport de matière. Dans l'exemple de la figure 9, le faisceau laser 34, dont l'axe est l'axe Y. est mis en forme par des moyens 50 du genre de ceux de la figure 5A ayant le même axe Y puis réfléchi et focalisé par un miroir parabolique hors d'axe 60. Le faisceau laser annulaire qui est focalisé par ce miroir 60 a comme axe l'axe Z qui est encore perpendiculaire à l'axe Y. Le point en lequel ce faisceau est focalisé est encore sur cet axe Z. en regard de la sortie 31 des moyens d'apport de matière. Revenons sur certains aspects des dispositifs des figures 7 à 9. Il convient de noter que le faisceau laser focalisé et l' extrémité des moyens d' apport de matière peuvent être rendus coaxiaux de plusieurs facons: - dans le cas d'une focalisation au moyen d' une lentille de focalisation et donc d' une focalisation par transmission (voir les exemples des B 13713.3 PV figures 7 et 8), on peut utiliser une lentille percoe afin de laisser passer l' extrémité des moyens d' apport de matière (fiure 7). Une autre possibilité consiste à placer un miroir percé d'un trou 62, à 45 du faisceau laser, après les moyens de focalisation (figure 8). Dans le cas dune focalisation au moyen d'un miroir parabolique hors d'axe (voir la figure 9), ce miroir est percé d'un trou 64 afin de permettre le passage des moyens d'apport de matière. B 13713.3 PV REVENDICATIONS 1. Dispositif de fusion de matière par faisceau laser, ce dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend: - des moyens (22) d'apport d'une matière qui est fusible par un faisceau laser, ces moyens d'apport ayant une sortie (31) sur un premier axe (Z) et étant aptes à émettre la matière par cette sortie suivant ce premier axe, et - des moyens optiques (50-52, 54-56-58, 50 ) aptes à répartir réqulièrement le faisceau laser sur le pourtour du premier axe et à focaliser ce faisceau laser en un point de ce premier axe, en regard de la sortie des moyens d'apport de matière. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les moyens optiques comprennent: - des moyens (50, 54) de mise en forme du faisceau laser, aptes à répartir réqulièrement ce faisceau laser autour d'un deuxième axe (Y), et - des moyens (52, 56, 60) de focalisation, sur le point du premier axe, du faisceau laser ainsi régulièrement réparti. 3. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel les moyens de mise en forme du faisceau laser comprennent des moyens de division de ce faisceau laser en plusieurs faisceaux laser élémentaires (20) qui sont réqulièrement répartis autour du deuxième axe (Y). 4. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel les moyens de mise en forme du faisceau laser comprennent des moyens (50, 54) de transformation B 13713.3 PV de ce faisceau laser en un faisceau laser annulaire dont l'axe est le deuxième axe (Y). 5. Dispositif selon la revendication 4, dans lequel les moyens de transformation (50) sont aptes à réfléchir le faisceau laser. 6. Dispositif selon la revendication 5, dans lequel les moyens de transformation comprennent des premier et deuxième miroirs coaxiaux (32, 36), le premier miroir étant un miroir conique dont l'axe est le deuxième axe (Y) et le deuxième miroir étant un miroir tronconique qui entoure le premier miroir et qui est parallèle à ce premier miroir. 7. Dispositif selon la revendication 4, dans lequel les moyens de transformation (54) sont aptes à transmettre le faisceau laser. 8. Dispositif selon la revendication 7, dans lequel les moyens de transformation comprennent des premier et deuxième éléments optiques transparents (38, 40), ayant un axe commun constitué par le deuxTème axe, disposés à la suite l'un de l'autre le long de cet axe et coopérant lun avec l'autre pour former le faisceau laser annulaire. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 8, dans lequel les moyens de focalisation sont choisis dans le groupe comprenant les optiques convergentes (52, 56) et les miroirs paraboliques hors d'axe (60). 10. Dispositif selon l'une queleonque des revendications 2 à 8, dans lequel les moyens de focalisation comprennent une optique convergente, B 13713.3 P prévue pour focaliser le faisccau laser, et des moyens (58) de réflexion du faisceau laser ainsi focalisé. 11. Dispositif selon l'une quelcouque des revendications 1 à 10, dans lequel les moyens d'apport comprennent une buse (26) dont l'axe est le premier axe (Z) et qui comporte un percage (30) dont l'extrémité forme la sortie (31) des moyens d'apport. 12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 9, dans lequel les moyens d'apport comprennent une buse (26), dont l'axe est le premier axe et qui comporte un percage (30) dont l'extrémité forme la sortie (31) des moyens d'apport, et les moyens de focalisation (52, 60) sont traversés par ces moyens d'apport.