Brevet FR3036300A1 — publié le 20161125

Arrière-plan de l'invention La présente invention se rapporte au domaine général de la fabrication de pièces par fabrication additive. Plus précisément, l'invention concerne un procédé de fabrication d'une pièce par fabrication additive destinée à être assemblée à une autre pièce. L'invention s'applique particulièrement, mais non exclusivement, à la fabrication de pièces pour l'aéronautique (c'est-à-dire des pièces pouvant être utilisées dans un turboréacteur propulsant un aéronef). Il est aujourd'hui courant d'avoir recours à des techniques de fabrication additive pour réaliser facilement et rapidement des pièces tridimensionnelles complexes. Parmi les techniques de fabrication additive, on peut citer par exemple : la fusion sélective par laser (LBM), la fusion sélective par faisceau d'électron (EBM), le frittage sélectif par laser (SLS), le dépôt de fil, etc. Les pièces fabriquées sont souvent destinées à être assemblées, par collage ou brasage. Dans l'un ou l'autre des cas, les surfaces d'assemblage des pièces à assembler qui sont collées ou brasées (le joint entre les deux pièces étant alors constitué par de la colle ou une composition métallique d'apport) doivent présenter un état de surface particulier afin de garantir une bonne tenue mécanique du joint et de favoriser une rupture cohésive du joint (c'est-à-dire que la rupture se produit au sein du joint, à la différence d'une rupture adhésive où le joint se décolle d'une surface d'assemblage). La surface d'assemblage des pièces ne doit être ni trop lisse, ni trop rugueuse, mais présenter une rugosité moyenne favorisant l'accroche du joint dans le cas du collage, et la diffusion des éléments métalliques dans le cas du brasage. Si la surface d'assemblage est trop rugueuse, des défauts peuvent être générés dans le joint à cause d'un manque de mouillage de la colle sur la surface d'assemblage, et certaines zones peuvent ne pas être remplies par le joint. A l'inverse, une surface d'assemblage trop lisse présente une surface d'accroche trop faible, l'adhésion de la colle n'est alors pas suffisante, ou les éléments d'une composition métallique d'apport pour le brasage ne diffusent pas suffisamment entre les deux surfaces d'assemblage. Les problèmes de 3036300 2 rugosité précités favorisent une rupture adhésive du joint, ce qui n'est pas souhaitable. Lorsque l'on désire assembler deux pièces réalisées par fabrication additive, on doit généralement effectuer un traitement sur la 5 surface d'assemblage des pièces. Par exemple, on peut sabler ou polir grossièrement a posteriori la surface à assembler jusqu'à obtenir un état de surface qui soit acceptable pour réaliser le collage ou le brasage. Cependant, lorsque les pièces à assembler sont complexes et nombreuses, les étapes de préparation de la surface d'assemblage 10 peuvent s'avérer longues et coûteuses, et l'état de surface obtenu est difficilement reproductible. Objet et résumé de l'invention La présente invention a donc pour but principal de pallier de 15 tels inconvénients en proposant un procédé de fabrication d'une pièce constituée d'un matériau déterminé par fabrication additive, la pièce comprenant au moins une surface d'assemblage et un ensemble de couches solidaires et empilées selon un axe vertical, le procédé comprenant, pour la fabrication d'une couche de pièce, la formation d'une 20 pluralité de lignes adjacentes à partir d'au moins un cordon du matériau, caractérisé en ce que le procédé comprend en outre la formation d'un bord lisse sur la périphérie de la couche à partir d'au moins un cordon du matériau, la formation du bord lisse étant interrompue sur au moins une portion de la périphérie de la couche comprenant des extrémités de lignes 25 adjacentes, de manière à laisser subsister sur la périphérie de la couche au moins une portion bosselée, la portion bosselée étant destinée à former une surface d'assemblage de la pièce. Dans les procédés de fabrication du type fabrication additive, la pièce est constituée d'un empilement vertical de couches qui sont 30 solidaires les unes des autres. La fabrication additive s'applique à tout type de matériaux, qu'ils soient métalliques, céramiques, plastiques, etc. Chaque couche est réalisée à l'aide d'au moins un cordon de matériau qui forme des lignes adjacentes. Dans le cas d'un procédé de fusion sélective sur lit de poudre, un cordon de matériau est créé par le 35 passage d'un laser ou d'un faisceau d'électrons qui fait fusionner des grains de poudre sur son passage. Dans le cas d'un frittage sélectif sur lit 3036300 3 de poudre, un cordon de matériau est créé par le passage d'un laser ou d'un faisceau d'électrons qui fritte un ensemble de grains de poudre sur son passage. Dans le cas d'un dépôt de fil, le cordon est constitué par le fil fondu qui est déposé sur chaque couche. 5 Les lignes adjacentes formées par un cordon de matériau présentent des extrémités intrinsèquement arrondies et de largeur déterminée. Le procédé selon l'invention permet d'utiliser les extrémités des lignes formées par un cordon de matériau pour créer une surface d'assemblage qui présente une rugosité optimale pour l'utilisation 10 ultérieure d'un joint collé ou brasé. Une étape du procédé consiste à former un bord lisse sur la périphérie de la couche (il s'agit en d'autres termes d'une étape de lissage de la surface), ce bord lisse consistant généralement en un cordon de matériau qui vient « effacer » en les recouvrant, les extrémités des lignes 15 adjacentes. Ainsi, une surface lisse est obtenue sur la pièce finale, là où le bord lisse a été formé sur la périphérie des couches. Conformément à l'invention, la formation du bord lisse est interrompue sur une portion de la périphérie de la couche (correspondant à la surface d'assemblage souhaitée) pour ne pas effacer les extrémités des lignes adjacentes. Par 20 conséquent, au niveau de la portion où la formation du bord lisse est interrompue, les extrémités arrondies des lignes adjacentes sont toujours présentes et laissent subsister une portion bosselée, destinée à former la surface d'assemblage de la pièce. La surface d'assemblage présente ainsi une rugosité régulière et 25 contrôlée grâce aux portions bosselées de chaque couche. Cette rugosité dépend principalement des caractéristiques du cordon de matériau (c'est-à-dire des caractéristiques de la poudre, du matériau de la poudre, du faisceau laser ou du faisceau d'électrons, ou du fil le cas échéant, etc.), et de la stratégie d'élaboration de chaque couche. 30 En outre, le procédé selon l'invention présente l'avantage de ne pas nécessiter d'étape supplémentaire pour préparer la surface d'assemblage une fois la fabrication de la pièce terminée. Aussi, le procédé selon l'invention est répétable, c'est-à-dire que l'état de la surface d'assemblage peut être reproduit sur une série de 35 pièces très facilement, à la différence des procédés d'assemblage de l'art 3036300 4 antérieur pour lesquels la rugosité de la surface peut varier d'une pièce à l'autre. Enfin, comme les machines utilisées en fabrication additive sont généralement programmables avec un ordinateur, il devient alors aisé de 5 créer des surfaces d'assemblage complexes en modifiant la portion bosselée d'une couche à l'autre. Lorsque l'on souhaite disposer d'une surface d'assemblage sur toute une face de la pièce fabriquée, la portion de la périphérie de la couche sur laquelle la formation du bord lisse est interrompue peut être 10 sensiblement la même sur toutes les couches formant la pièce. Le procédé décrit précédemment peut être de l'un des types suivants : fusion sélective par laser ou par faisceau d'électrons, frittage sélectif par laser ou par faisceau d'électrons, ou dépôt de fil. L'invention vise également un procédé tel que celui décrit 15 précédemment dans lequel la pièce à fabriquer est une pièce pour l'aéronautique. Par « pièce pour l'aéronautique » on entend une pièce pouvant être utilisée dans un turboréacteur destiné à propulser un aéronef, par exemple : une aube de turbomachine aéronautique, un anneau de turbine, un distributeur basse pression, un système d'injection 20 de chambre à combustion aéronautique, un composant de système d'injection aéronautique, une bride, un système de bridage, un support d'équipements moteur, un capot, etc. L'invention vise encore un procédé d'assemblage d'au moins deux pièces fabriquées par un procédé tel que celui décrit plus haut, 25 caractérisé en ce qu'il comprend l'assemblage des pièces au niveau de leur surface d'assemblage, l'assemblage pouvant être un collage, ou, en variante, un brasage. Brève description des dessins 30 D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent des exemples de réalisation dépourvus de tout caractère limitatif. Sur les figures : - la figure 1 est une vue schématique de deux pièces fabriquées 35 par un procédé selon un mode de réalisation de l'invention, 3036300 5 - la figure 2 est une vue schématique d'une couche composant une pièce de la figure 1, et - la figure 3 est une vue schématique d'une autre pièce fabriquée par un procédé selon l'invention. 5 Description détaillée de l'invention La figure 1 illustre très schématiquement deux pièces 10 et 20 réalisées par fusion sélective sur lit de poudre par faisceau laser (LBM ou « Laser Beam Melting ») conformément à un procédé selon l'invention. 10 Les pièces 10, 20 sont destinées à être assemblées entre elles. Chaque pièce 10, 20 dispose d'une surface d'assemblage 11, 21, et de surfaces lisses 12, 22. Les surfaces d'assemblage 11, 21 de chaque pièce sont destinées à être collées ou brasées l'une avec l'autre, et présentent une rugosité contrôlée et optimale pour l'assemblage avec un 15 joint par collage ou brasage. Les pièces 10, 20 représentées peuvent être avantageusement fabriquées simultanément par un procédé selon l'invention. De façon connue en soi, pour réaliser une pièce par un procédé de fabrication additive du type fusion sélective sur lit de poudre par faisceau laser, une pièce 10, 20 est réalisée couche par couche, 20 chaque couche étant formées par le passage du faisceau laser sur une poudre qui est sélectivement fusionnée. Les couches sont empilées selon un axe vertical Z et solidaires entre elles. Une couche 13 de la pièce 10 a été représentée très schématiquement sur la figure 2 dans un plan horizontal XY. 25 Pour réaliser la couche 13, le laser forme successivement des cordons de matériau en faisant fusionner de la poudre solide (par exemple en métal ou en plastique). Les cordons représentés sur les figures ont été volontairement grossis pour une meilleure lisibilité. Les cordons présentent généralement une largeur comprise entre 50 pm et 500 dam dans le cas de 30 la fusion sélective par laser. Des lignes adjacentes 14 sont tout d'abord formées par des cordons de matériau. Elles sont réparties le long de l'axe X et s'étendent dans la direction Y. Ces lignes 14 présentent des extrémités 14a, 14b, arrondies à cause de la taille et de la forme du faisceau laser. 35 On notera que les lignes adjacentes 14 se recouvrent partiellement selon l'axe X. Ces lignes 14 constituent le « coeur » de la 3036300 6 pièce fabriquée. On notera également que les lignes adjacentes 14 ne sont pas nécessairement des lignes droites mais peuvent être courbes, et éventuellement formées par un unique cordon de matériau. Lors de la fabrication d'une couche 13 de la pièce 10, un bord 5 lisse 15 est formé sur la périphérie de la couche 13 à partir d'un cordon de matériau (on peut éventuellement utiliser plusieurs cordons pour former le bord lisse). Ce bord lisse 15 est destiné à former les surfaces lisses 12 de la pièce 13 en recouvrant des extrémités 14a des lignes adjacentes 14. La formation de ce bord lisse 15 est interrompue sur une portion 10 16 de la périphérie de la couche comprenant des extrémités 14b de lignes adjacentes 14. La portion 16 est alors une portion bosselée destinée à former la surface d'assemblage 11 de la pièce 10. La portion bosselée 16 présente une rugosité régulière, contrôlée et répétable entre deux couches. L'opérateur peut en outre agir sur cette rugosité en réglant des 15 paramètres tels que la taille du faisceau laser ou le taux de recouvrement entre deux lignes adjacentes 14. Une fois les pièces 10, 20 réalisées par un procédé selon l'invention, on peut alors les assembler l'une avec l'autre. Il est notamment possible de les coller en appliquant une colle adéquate sur 20 l'une et/ou l'autre des surfaces d'assemblage 11, 21, puis en les mettant en contact l'une avec l'autre. En variante, on peut aussi braser les deux surfaces d'assemblage 11, 21 l'une avec l'autre (dans le cas où les pièces sont métalliques par exemple), en ajoutant éventuellement une composition métallique d'apport entre les deux pièces. 25 Dans l'exemple des figures 1, 2 et 3, et pour des raisons de simplification, toutes les couches formant chaque pièce 10, 20, 30 sont identiques. La pièce 30 parallélépipédique de la figure 3 comprend des surfaces lisses 32 et une surface d'assemblage 31 qui représente la totalité d'une de ses faces. 30 Il est bien entendu envisageable de faire varier la taille et la position de la portion bosselée 16 entre les différentes couches 13 afin de réaliser des surfaces d'assemblage 11 plus complexes et adaptées aux différents besoins. Dans ce dernier cas, il faut généralement que les portions bosselées de deux couches consécutives au niveau de la surface 35 d'assemblage conservent une partie commune entre deux couches consécutives. 3036300 7 Dans d'autres variantes, une pièce peut présenter plusieurs surfaces d'assemblage et être assemblée à plusieurs pièces. Aussi, la géométrie des pièces que l'on peut fabriquer par un procédé selon l'invention n'est pas limitée aux exemples illustrés. 5 L'invention s'applique à tout procédé du type fabrication additive, notamment la fusion sélective par laser ou par faisceau d'électrons, le frittage sélectif par laser ou par faisceau d'électrons, ou encore le dépôt de fil, tant que ces procédés comprennent la création de couches successives à partir de cordons de matériau déposés, fusionnés 10 ou frittés. Enfin, l'invention s'applique à tout type de matériau convenant aux procédés précités, par exemple : métal, alliage métallique, céramique, plastique, etc. REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'une pièce (10, 20 ; 30) constituée d'un matériau déterminé par fabrication additive, la pièce comprenant au 5 moins une surface d'assemblage (11, 21 ; 31) et un ensemble de couches (13) solidaires et empilées selon un axe vertical (Z), le procédé comprenant, pour la fabrication d'une couche de pièce, la formation d'une pluralité de lignes adjacentes (14) à partir d'au moins un cordon du matériau, 10 caractérisé en ce que le procédé comprend en outre la formation d'un bord lisse (15) sur la périphérie de la couche à partir d'au moins un cordon du matériau, la formation du bord lisse étant interrompue sur au moins une portion (16) de la périphérie de la couche comprenant des extrémités de lignes adjacentes (14b), de manière à laisser subsister sur la 15 périphérie de la couche au moins une portion bosselée (16), la portion bosselée étant destinée à former une surface d'assemblage de la pièce. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la portion (16) de la périphérie de la couche sur laquelle la formation du 20 bord lisse (15) est interrompue est sensiblement identique sur toutes les couches formant la pièce. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il est de l'un des types suivants : 25 - fusion sélective par laser ou par faisceau d'électrons, - frittage sélectif par laser ou par faisceau d'électrons, ou - dépôt de fil. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, 30 caractérisé en ce que la pièce à fabriquer est une pièce pour l'aéronautique. 5. Procédé d'assemblage d'au moins deux pièces (11, 21 ; 31) fabriquées par un procédé de fabrication selon l'une quelconque des 35 revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend l'assemblage des pièces au niveau de leur surface d'assemblage (11, 21 ; 31). 3036300 9 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'assemblage est un collage. 7. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'assemblage est un brasage.