Brevet FR2970663A1 — publié le 20120727

Le domaine de la présente invention est celui de la fabrication des pièces métalliques et plus particulièrement celui du traitement de finition pour l'obtention d'un bon état de surface des pièces frittées. Le frittage est un procédé qui permet de réaliser des pièces mécaniques ou d'autres objets à partir de poudres plus ou moins fines. Dans un premier temps, ces poudres sont agglomérées par divers procédés pour constituer une préforme, laquelle est ensuite chauffée pour acquérir une certaine cohésion. Une des techniques de chauffage couramment utilisées pour la réalisation de pièces métalliques par frittage est celle dite de la fusion laser. Dans ce procédé le matériau est présenté sous la forme d'une poudre que l'on fait fondre sous l'action d'un laser de forte puissance. La répétition d'un apport de poudre et de sa fusion par le laser permet de faire épaissir progressivement la pièce et d'obtenir les formes souhaitées. La description d'un outillage de réalisation d'une pièce métallique par fusion laser est donnée par la figure 1 et la mise en oeuvre de cette technique sera détaillée plus loin. Un des inconvénients associés à cette technique est que les pièces produites sont très rugueuses. A titre d'exemple la rugosité moyenne obtenue se situe entre 8pm et 20pm alors que celle obtenue par des procédés classiques sont nettement plus faibles : en fonderie on obtient des valeurs proches des 3pm après un léger sablage, et en usinage on atteint entre 1 pm et 2pm suivant les paramètres de coupes. De plus l'état de surface obtenu par le procédé de frittage avec fusion laser n'est pas homogène et on constate des rugosités plus élevées dans certaines zones et des rugosités plus faibles dans d'autres. Il s'ensuit que les procédés habituels de finition, tels que la tribofinition ou un ajustage ne sont plus adaptés, car pour arriver à l'état final recherché il est alors nécessaire de gérer la consommation matière en fonction de la zone où l'on se trouve. La gamme de finition de ces pièces fritées devient donc plus compliquée. Pour pallier cet état de fait deux types de solutions existantes sont généralement mises en oeuvre : un usinage de finition complet de la pièce afin de la ramener à une rugosité connue, ou un ajustage suivi d'une finition classique par tribofinition. La première solution nécessite de mettre une surépaisseur à la pièce, ce qui se traduit par une gamme de finition coûteuse utilisant par exemple un fraisage 5 axes. Le procédé de la deuxième solution est aléatoire et difficile à mettre en oeuvre car la surépaisseur n'est pas uniforme ; il est alors très difficile de maîtriser la consommation de matière et donc de tenir des géométries précises. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients en proposant une méthode de finition des pièces frittées par fusion laser qui ne reproduise pas certains des inconvénients de l'art antérieur et, en particulier, qui inclue une étape de réduction de la rugosité des pièces frittées préalablement à leur finition par un des procédés habituels. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de finition d'une pièce métallique réalisée par frittage et fusion laser dans le but de réduire sa rugosité à une valeur inférieure ou égale à 2 microns, caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux étapes de sablage de la surface de ladite pièce à l'aide de grains de diamètre différents, le sablage avec le grain le plus gros précédant le sablage avec le grain le plus fin. Avantageusement le procédé comprend trois étapes de sablage à l'aide de grains de tailles différentes, réalisés successivement en allant du plus gros grain vers le plus fin. Cette méthode de sablage par des grains de taille différente permet de réduire progressivement la rugosité de surface de la pièce, sans que les temps de sablage ne soient trop importants en cas de rugosité élevée. De façon préférentielle les grains ont sensiblement pour diamètres 500, 300 et 180 microns. Dans un mode particulier de réalisation le sablage est exécuté de façon automatique, le motif de balayage et le temps de station en chaque point étant définis par un programme. L'automatisation du procédé permet de garantir la constance de l'épaisseur de matière enlevée en chaque point et donc de s'assurer que les caractéristiques géométriques recherchées pour la pièce sont bien respectées. Préférentiellement lesdits motif de balayage et temps en station du programme sont définis à partir de la surépaisseur laissée en chaque point de la pièce lors des opérations de frittage et fusion par laser. On obtient ainsi, à l'issue des opérations de sablage, une pièce aux cotes attendues. L'invention porte également sur un procédé de mise au point de la gamme de fabrication d'une pièce métallique par frittage et fusion par laser caractérisé en ce qu'il comprend, entre autres, les étapes suivantes : - réalisation d'un modèle numérique de la pièce à réaliser, - définition d'une gamme expérimentale de fabrication par frittage et fusion laser de la pièce à réaliser, - réalisation d'une pièce expérimentale selon ladite gamme expérimentale, - réalisation d'une étape de finition de la pièce par un procédé tel que décrit ci- dessus, jusqu'à l'obtention en tout point d'un état de surface dont la rugosité est inférieure ou égale à 2 microns, - enregistrement dans un programme du motif et des temps en station réalisés lors de ladite étape de finition, pour intégration dudit programme dans la gamme de fabrication, - mesure des caractéristiques géométriques de ladite pièce expérimentale après ladite étape de finition et analyse des écarts existant entre cette pièce expérimentale et le modèle numérique, et - modification de la gamme expérimentale de façon à créer en chaque point une surépaisseur égale à l'écart mesuré lors de l'étape précédente. L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative détaillée qui va suivre, d'un mode de réalisation de l'invention donné à titre d'exemple purement illustratif et non limitatif, en référence aux dessins schématiques annexés. Sur ces dessins : - la figure 1 est une vue schématique d'une machine de frittage par fusion laser, et - les figures 2 à 5 sont des vues séquentielles, en coupe, de la surface d'une pièce frittée au cours d'un traitement par un procédé selon un mode de réalisation de l'invention. En se référant à la figure 1, on voit une machine de réalisation d'une pièce métallique par frittage et fusion laser. Un générateur 1 de faisceau laser émet un rayon laser 2 de forte puissance qu'il dirige sur un ensemble de miroirs réfléchissants 3, dont le dernier miroir 4 est pivotant de façon à assurer un balayage de la surface de la pièce à réaliser 5. La pièce 5 est plongée dans un bac 6 de façon à pouvoir être régulièrement recouverte d'une couche de la poudre métallique 7 adaptée au frittage. Un second bac 8, d'alimentation en poudre, est positionné à côté du bac de frittage 6 et est rempli de cette poudre de frittage 7. Un dispositif du type piston 9 permet de déplacer une quantité donnée de poudre 7, du bac d'alimentation 8 vers le bac de frittage 6, pour recouvrir la pièce 5 d'une couche de poudre d'épaisseur donnée. L'épaisseur de cette couche correspond à celle dont peut être augmentée celle de la pièce au cours d'une passe de fusion par le rayon laser 2. Des dispositifs de descente du bac de frittage 6 et de montée du bac d'alimentation 8 permettent, d'une part, de conserver la pièce à fritter 5 au niveau de l'affleurement des parois du bac 6, et d'autre part, d'amener une couche de poudre métallique 7 ayant la bonne épaisseur, en face du piston 9 du bac d'alimentation 8. Le frittage et la fusion de la pièce 5 s'effectuent par une succession d'opérations élémentaires se déroulant de la façon suivante : la pièce 5 affleurant le haut des parois du bac de frittage 6, le piston 9 est déplacé en direction de ce bac 6 pour qu'il dépose l'épaisseur souhaitée de poudre 7 sur la pièce 5 puis est remis en position d'attente à l'extrémité du bac d'alimentation 8. Le faisceau laser 2 effectue un balayage de la surface de la pièce à l'aide du miroir oscillant 4, ce qui provoque la fusion de la couche métallique et son agrégation à la pièce 5, ce qui accroit son épaisseur. La pièce 5 est ensuite tirée vers le bas pour compenser l'augmentation de son épaisseur et pour que sa surface revienne à l'affleurement du bac de frittage 6, tandis que le bas d'alimentation 8 est soulevé pour remettre une quantité adéquate de poudre métallique 7 en face du piston 9. Ce processus est répété le nombre de fois qu'il est nécessaire pour aboutir à la géométrie et aux cotes souhaitées pour la pièce 5. Les figures 2 à 5 montrent les états successifs de la surface de la pièce frittée 5 respectivement, avant et après trois opérations de sablage. La partie hachurée correspond à la quantité de matière enlevée au cours de chacune des opérations de sablage. Sur la figure 2 la surface de la pièce comporte une grande rugosité, résultant directement de l'opération de frittage par fusion laser. La figure 3 montre l'état de surface de la pièce 5 après une première opération de sablage, effectuée à l'aide de grains dont la taille avoisine les 500 microns. La figure 4 montre l'état de surface de la pièce 5 après une seconde opération de sablage, effectuée à l'aide de grains dont la taille avoisine les 300 microns. Enfin la figure 5 montre l'état de surface de la pièce 5 après une troisième opération de sablage, effectuée à l'aide de grains dont la taille avoisine les 180 microns. On va maintenant décrire le fonctionnement de déroulement d'une opération de finition d'une pièce frittée par fusion laser, en appliquant le procédé selon l'invention. La pièce 5, après sa réalisation par frittage dans une machine analogue à celle de la figure 1, est passée dans une seconde machine de finition selon l'invention, au cours de laquelle elle va subir plusieurs opérations de sablage réalisée de façon automatisée. L'opération de sablage est une opération connue, qui est utilisée notamment en fonderie, mais dans le but d'enlever des aspérités et d'homogénéiser la surface. Il s'agit, ici, d'un sablage léger, opéré manuellement, pour lequel une automatisation de cette tâche n'est pas essentielle. Au contraire dans l'invention le sablage effectué est un sablage minutieusement calibré afin d'obtenir un état de surface connu (avec une rugosité typiquement de l'ordre de 2 microns, qui est alors susceptible d'être finie par un procédé classique de tribofinition) tout en contrôlant la consommation de matière qui y est associée. Pour cela ce sablage minutieux nécessite, d'une part, l'utilisation de plusieurs tailles de grain et, d'autre part, celle d'un moyen automatisé. Plusieurs sablages, typiquement au nombre de trois sans que ce nombre soit impératif, sont effectués successivement avec différentes tailles de grains, en commençant par le plus gros grain. Dans l'exemple représenté par les figures, les trois tailles de grains retenues sont les suivantes : le premier grain a une taille d'environ 500pm, le deuxième d'environ 300pm et le dernier de 180pm. Le résultat obtenu après le premier sablage est donné par la figure 3, la partie hachurée représentant la partie qui a été enlevée ; de même le résultat obtenu après les deuxième et troisième opérations de sablage est donné par les figures 4 et 5. Ces différentes tailles de grain permettent ainsi, en diminuant la taille du grain à chaque passe, d'abaisser la rugosité par palier et d'écrêter, au fur et à mesure, les pointes de cette rugosité. L'utilisation d'un seul grain ne permettrait pas d'obtenir un état final ayant une rugosité d'environ 2 pm car la surface de départ étant trop rugueuse on ne pourrait pas tout faire avec le dernier grain (180pm). Il convient par ailleurs de prendre en compte le fait que le procédé de fusion laser ne donne pas un état de surface homogène et qu'il est par conséquent nécessaire de forcer plus dans les zones très rugueuses. De ce fait il est nécessaire de maîtriser la consommation de matière effectuée par le sablage en chaque point de la pièce. Pour cela l'invention propose d'automatiser les trois opérations de sablage, en définissant a priori le la quantité de matière à retirer en chaque endroit de la pièce lors de chacune des trois opérations de sablage. Il est ainsi nécessaire d'utiliser un moyen de mesure permettant de numériser l'ensemble de la pièce car les surépaisseurs à prendre en compte ne sont pas homogènes. La consommation de matière à effectuer en un point est alors définie en réalisant une première pièce, à l'aide d'une gamme de fabrication expérimentale, que l'on mesure au début et à la fin d'un processus de sablage selon une gamme de sablage prédéfinie. Cette gamme est adaptée au fur et à mesure du processus jusqu'à atteindre en chaque point la rugosité désirée pour la pièce. Ces mesures qui donnent la quantité de matière à retirer compte tenu de la gamme de sablage mise en oeuvre, sont utilisées pour définir la gamme de fabrication des pièces suivantes car elles donnent la valeur de la surépaisseur à mettre en chaque point de la pièce lors du frittage par fusion laser. Toutes les pièces à produire ont ainsi la même surépaisseur en chaque point et cette surépaisseur locale correspond exactement à la quantité de matière que les trois sablages effectuées selon la gamme mise en oeuvre, vont emporter. On obtient au bout du compte une pièce ayant les bonnes caractéristiques dimensionnelles et dont la rugosité équivaut à celle recherchée, c'est-à-dire homogène et de l'ordre de 2 pm. On peut terminer le processus de réalisation de la pièce en lui appliquant soit une tribofinition traditionnelle soit un écoulement de pâte abrasive, et ainsi obtenir l'état de surface final recherché. Cette dernière étape, classique, est réalisée sans enlèvement significatif de matière, à la différence du sablage selon l'invention, et ne modifie pas sensiblement les caractéristiques géométriques de la pièce. Il convient, entre autres, de remarquer que ce processus est parfaitement adapté à la finition de pièces de petites dimensions (c'est-à-dire ayant des dimensions inférieures à 150 mm) et présentant des accès difficiles. Pour cela il suffit de choisir, pour le sablage, des petites buses qui peuvent atteindre ces endroits difficiles d'accès. Le procédé de l'invention reste parfaitement applicable, la gamme de sablage intégrant alors le pilotage du positionnement de la buse en face de ces endroits particuliers.5 REVENDICATIONS1. Procédé de finition d'une pièce métallique (5) réalisée par frittage et fusion laser dans le but de réduire sa rugosité à une valeur inférieure ou égale à 2 microns, caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux étapes de sablage de la surface de ladite pièce à l'aide de grains de diamètre différents, le sablage avec le grain le plus gros précédant le sablage avec le grain le plus fin. 2. Procédé selon la revendication 1 comprenant trois étapes de sablage à l'aide de grains de tailles différentes, réalisés successivement en allant du plus gros grain vers le plus fin. 3. Procédé selon la revendication 2 dans lequel les grains ont sensiblement pour diamètres 500, 300 et 180 microns. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3 dans lequel le sablage est exécuté de façon automatique, le motif de balayage et le temps de station en chaque point étant définis par un programme. 5. Procédé selon la revendication 4 dans lequel lesdits motif de balayage et temps en station du programme sont définis à partir de la surépaisseur laissée en chaque point de la pièce (5) lors des opérations de frittage et fusion par laser. 6. Procédé de mise au point de la gamme de fabrication d'une pièce métallique (5) par frittage et fusion par laser, caractérisé en ce qu'il comprend, entre autres, les étapes suivantes : - réalisation d'un modèle numérique de la pièce à réaliser, - définition d'une gamme expérimentale de fabrication par frittage et fusion laser de la pièce (5) à réaliser, - réalisation d'une pièce expérimentale selon ladite gamme expérimentale, - réalisation d'une étape de finition de la pièce par un procédé selon l'une des revendications 1 à 5, jusqu'à l'obtention en tout point d'un état de surface dont la rugosité est inférieure ou égale à 2 microns, - enregistrement dans un programme du motif et des temps en station réalisés lors de ladite étape de finition, pour intégration dudit programme dans la gamme de fabrication,- mesure des caractéristiques géométriques de ladite pièce expérimentale après ladite étape de finition et analyse des écarts existant entre cette pièce expérimentale et le modèle numérique, et - modification de la gamme expérimentale de façon à créer en chaque point une 5 surépaisseur égale à l'écart mesuré lors de l'étape précédente.