Brevet FR3041278A1 — publié le 20170324

SYSTEME ET PROCEDE DE FABRICATION ADDITIVE PAR FUSION LASER D'UN LIT DE POUDRE La présente invention concerne un système et un procédé de fabrication additive par fusion laser d'un lit de poudre. Le domaine de l'invention est celui des procédés de fabrication additive, du type fusion par faisceau laser, fusion laser sélective ou frittage laser sélectif (en Anglais : laser beam melting (LBM), selective laser melting (SLM) ou selective laser sintering (SLS)). En pratique, la précision géométrique et l'état de surface des pièces fabriquées en mettant en oeuvre ces procédés sont limités par la granulométrie des poudres utilisées, l'épaisseur des couches de poudre fusionnée puis durcie (de l'ordre de quelques grains de poudre) et par la précision de réalisation du cordon de soudure entre grains. Ces contraintes constituent un frein au développement de ces procédés. Fréquemment, une opération de reprise est nécessaire pour obtenir une pièce fonctionnelle. Les techniques de reprise connues comprennent l'usinage par outil coupant, le sablage, l'attaque électrolytique, le ponçage, le polissage, etc. Cependant, une telle opération prend du temps et représente un surcoût. En outre, une telle opération est parfois impossible à réaliser, par exemple sur les surfaces intérieures des pièces. Le but de la présente invention est de proposer un système et un procédé de fabrication additive remédiant aux inconvénients ci-dessus. A cet effet, l'invention a pour objet un système de fabrication additive par fusion laser d'un lit de poudre, caractérisé en ce qu'il comprend : une première unité laser émettant sélectivement un premier faisceau laser pour former au moins une couche de matière par fusion du lit de poudre ; une deuxième unité laser émettant sélectivement un deuxième faisceau laser pour usiner au moins une partie de cette couche de matière ; et un bloc optique permettant de focaliser le premier faisceau laser sur le lit de poudre à fusionner et le deuxième faisceau laser sur la couche de matière à usiner. Le système est apte à réaliser à réaliser une pièce par empilement successif de couches de matière fusionnées puis usinées. Ainsi, l'invention permet d'améliorer la précision géométrique et l'état de surface de la pièce réalisée. Une fois formée sous l'action de la première unité laser, par fusion puis durcissement du lit de poudre, chaque couche de matière peut être usinée in-situ 3041278 2 sous l'action de la deuxième unité laser. Cet usinage laser est sélectif, c'est-à-dire que chaque couche de matière formée peut être sélectivement usinée ou non, en fonction des caractéristiques de la pièce à réaliser. Dans sa partie finale, le chemin optique du faisceau d'usinage est confondu avec le chemin optique du faisceau de fusion, ce qui 5 procure une grande précision dans l'usinage et simplifie l'architecture du système. Selon d'autres caractéristiques avantageuses du système selon l'invention, prises isolément ou en combinaison : - La poudre est en matière plastique, céramique ou métallique. 10 - La première unité laser comprend une source laser continue. - La deuxième unité laser comprend une source laser impulsionnelle. - Le bloc optique comprend un scanner biaxial et une lentille de focalisation. - Le système comprend également des moyens de guidage mobiles, configurés pour guider sélectivement le premier faisceau laser ou le deuxième faisceau laser 15 jusqu'au bloc optique. L'invention a également pour objet un procédé de fabrication additive par fusion laser d'un lit de poudre. Le procédé est caractérisé en ce qu'il comprend en alternance : a) une étape de formation consistant à former au moins une couche de matière par 20 fusion d'un lit de poudre sous l'action d'un premier faisceau laser ; et b) une étape d'usinage consistant à usiner au moins une partie de cette couche de matière sous l'action d'un deuxième faisceau laser ; de manière à réaliser une pièce par empilement successif de couches de matière fusionnées puis usinées. 25 Selon d'autres caractéristiques avantageuses du procédé selon l'invention, prises isolément ou en combinaison : - Dans l'étape de formation, le premier faisceau laser est généré par une première unité laser comprenant une source laser continue. 30 - Dans l'étape d'usinage, le deuxième faisceau laser est généré par une deuxième unité laser comprenant une source laser impulsionnelle. - Dans l'étape de formation et l'étape d'usinage, les faisceaux lasers sont focalisés par un même bloc optique sur le lit de poudre à fusionner ou sur la couche de matière à usiner. 35 - Entre l'étape de formation et l'étape d'usinage, des moyens de guidage sont déplacés en amont du bloc optique, sur le chemin optique des faisceaux pour permettre 3041278 3 aux faisceaux issus des deux unités lasers d'être aiguillés vers la pièce à travers vers le scanner. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, 5 donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une représentation schématique d'un système de fabrication additive conforme à l'invention, illustrant une première étape d'un procédé de fabrication additive également conforme à l'invention ; 10 - la figure 2 est une représentation schématique du système, illustrant une deuxième étape du procédé. Sur les figures 1 et 2 est représenté un système de fabrication additive 1, permettant de réaliser une pièce par fusion laser d'un lit de poudre 2. 15 Le système 1 comprend deux unités laser 10 et 20, un bloc optique 30 et un dispositif de guidage 40. Le système 1 comprend également un dispositif de dépose du lit de poudre 2 sur un support 3, ce dispositif n'étant pas représenté dans un but de simplification. Avantageusement, les éléments constitutifs du système 1 peuvent être intégrés à une même machine, présentant une architecture relativement simple et 20 compacte. La première unité laser 10 comprend une source laser continue 12 reliée par une fibre optique 14 à un premier dispositif afocal agrandisseur 16, qui forme un collimateur. L'unité laser 10 est conçue pour générer sélectivement un faisceau laser F1, pour la fusion du lit de poudre 2. 25 La deuxième unité laser 20 comprend une source laser impulsionnelle 22, associée à un deuxième dispositif afocal agrandisseur 26, qui forme un collimateur. L'unité laser 20 est conçue pour générer sélectivement un faisceau laser F2, pour l'usinage d'une couche de matière obtenue au préalable par fusion du lit de poudre 2 grâce à l'unité laser 10. La source 22 produit des impulsions ultra-brèves, d'une durée de 30 l'ordre de quelques femtosecondes à quelques dizaines de picoseconde, et ayant une puissance crête élevée. De préférence, les impulsions présentent une durée comprise entre 300 et 900 femtosecondes. Le bloc optique 30 comprend un scanner biaxial 32 couplé à une lentille de focalisation 34. Le bloc optique 30 est conçu pour diriger sélectivement le faisceau laser 35 F1 ou F2 reçu en amont par le scanner 32, en un point précis du lit de poudre 2 ou de la 3041278 4 couche de matière obtenue par fusion du lit de poudre 2, sous forme d'un faisceau laser F10 ou F20 focalisé en aval par la lentille 34. Le dispositif de guidage 40 est prévu pour guider le faisceau laser F2 émis par l'unité laser 20 jusqu'au bloc optique 30. Sur l'exemple des figures 1 et 2, le dispositif de 5 guidage 40 comprend un miroir 42 mobile en translation suivant deux directions opposées D1 et D2. Plus précisément, le miroir 42 est mobile dans la zone située entre le scanner 32 et les dispositifs 16 et 26, pour s'écarter du trajet du faisceau F1 et se positionner sur le trajet du faisceau F2. 10 De préférence, les sources 12 et 22 sont choisies de sorte que les faisceaux lasers F1 et F2 présentent des longueurs d'onde proches. Ainsi, les traitements appliqués aux éléments optiques du scanner 32 et de la lentille 34 conviennent pour les deux faisceaux F1 et F2. Par exemple, chacun des faisceaux F1 et F2 peut présenter une longueur d'onde comprise entre 1030 nm et 1080 nm. 15 Lorsque les faisceaux F1 et F2 présentent des longueurs d'ondes éloignées l'une de l'autre, les éléments optiques du scanner 32 et de la lentille 34 sont spécifiquement traités pour les deux longueurs d'onde. Dans ce cas, le dispositif de guidage 40 peut comprendre une lame dichroïque fixe. Par exemple, le faisceau F1 peut présenter une longueur d'onde comprise entre 1060 nm et 1080 nm tandis que le faisceau F2 présente 20 une longueur d'onde comprise entre 800 nm et 1030 nm. Le procédé de fabrication additive conforme à l'invention consiste en une séquence comprenant une alternance d'étapes 100 et 200, détaillées ci-après. L'étape 100 montrée à la figure 1 consiste à former une couche de matière par 25 fusion du lit de poudre 2 déposé sur le support 3. L'unité laser 10 émet le faisceau laser F1 continu, qui est collimaté au diamètre adéquat par le dispositif 16 et transmis au bloc optique 30. Le faisceau F1 est dévié par le scanner 32 devant la lentille de focalisation 34. Le bloc optique 30 dirige le faisceau laser F10 focalisé sur le lit de poudre 2 et fait fusionner les grains pour former une ou plusieurs couches de matière, suivant le parcours 30 défini pour construire la pièce. L'étape 200 montrée à la figure 2 consiste à usiner au moins une partie de la dernière couche de matière formée lors de l'étape 100. Au début de l'étape 200, le miroir 42 est positionné sur le chemin optique du faisceau F2 par translation selon la direction F2. L'unité laser 20 émet le faisceau laser F2, qui est collimaté au diamètre adéquat par le 35 dispositif 26 et dévié par le miroir 42 en direction du bloc optique 30. Le positionnement du miroir 42 permet d'envoyer le faisceau F2 suivant le même chemin optique que le 3041278 5 faisceau F1. Le faisceau F2 est dévié par le scanner 32 devant la lentille de focalisation 34. Le bloc optique 30 dirige le faisceau laser F20 focalisé sur la couche de matière à usiner, en parcourant le contour ou la zone à usiner. Ainsi, l'étape 200 permet d'obtenir une découpe nette de la couche de matière, suivant le parcours défini pour construire la 5 pièce. A la fin de l'étape 200, le miroir 42 est retiré du chemin optique du faisceau F1 par translation selon la direction D1. Les étapes 100 et 200 sont répétées, en alternance, autant de fois que nécessaire pour fabriquer la pièce complète. Avantageusement, la séquence d'étapes 100 et 200 constituant le procédé peut 10 être réalisée en mettant en oeuvre le système 1. En pratique, le système 1 peut être conformé différemment des figures 1 et 2 sans sortir du cadre de l'invention. En variante non représentée, la source 22 peut être reliée au dispositif 26 par une 15 fibre optique. Selon une autre variante non représentée, le dispositif de guidage 40 peut être différent d'un miroir 42 mobile en translation. Par exemple, le dispositif 40 peut comprendre un miroir 42 mobile en rotation. Selon un autre exemple, le dispositif 40 peut comprendre un ensemble de miroirs, incluant au moins un miroir fixe et au moins un 20 miroir mobile. Selon un autre exemple, le dispositif 40 peut être configuré pour s'écarter du trajet du faisceau F2 et se positionner sur le trajet du faisceau F1. Selon un autre exemple, dans le cas où les sources lasers 12 et 22 sont polarisées, le dispositif de guidage 40 peut comprendre un cube polariseur. Selon un autre exemple mentionné plus haut, dans 25 le cas où les faisceaux F1 et F2 présentent des longueurs d'ondes éloignées l'une de l'autre, le dispositif de guidage 40 peut comprendre une lame dichroïque fixe. En outre, les caractéristiques techniques des différents modes de réalisation et variantes mentionnés ci-dessus peuvent être, en totalité ou pour certaines d'entre elles, 30 combinées entre elles. Ainsi, le système 1 peut être adapté en termes de coût, de fonctionnalités et de performance. REVENDICATIONS1. Système de fabrication additive (1) par fusion laser d'un lit de poudre (2), caractérisé en ce que le système (1) comprend : - une première unité laser (10) émettant sélectivement un premier faisceau laser (F1, F10) pour former au moins une couche de matière par fusion du lit de poudre (2) ; - une deuxième unité laser (20) émettant sélectivement un deuxième faisceau laser (F2, F20) pour usiner au moins une partie de cette couche de matière ; et - un bloc optique (30) permettant de focaliser le premier faisceau laser (F1, F10) sur le lit de poudre (2) à fusionner et le deuxième faisceau laser (F2, F20) sur la couche de matière à usiner ; le système (1) étant apte à réaliser une pièce par empilement successif de couches de matière fusionnées puis usinées. 2. Système (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première unité laser (10) comprend une source laser continue (12). 3. Système (1) selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la deuxième unité laser (20) comprend une source laser impulsionnelle (22). 4. Système (1) selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le bloc optique (30) comprend un scanner biaxial (32) et une lentille de focalisation (34). 5. Système (1) selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend également des moyens de guidage (40) mobiles, configurés pour guider sélectivement le premier faisceau laser (F1, F10) ou le deuxième faisceau laser (F2, F20) jusqu'au bloc optique (30). 6. Procédé de fabrication additive par fusion laser d'un lit de poudre (2), caractérisé en ce que le procédé comprend en alternance : - une étape de formation (100) consistant à former au moins une couche de matière par fusion d'un lit de poudre (2) sous l'action d'un premier faisceau laser (F1, F10) ; et 3041278 7 une étape d'usinage (200) consistant à usiner au moins une partie de cette couche de matière sous l'action d'un deuxième faisceau laser (F2, F20) ; de manière à réaliser une pièce par empilement successif de couches de matière fusionnées puis usinées. 5 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que dans l'étape de formation (100), le premier faisceau laser (F1, F10) est généré par une première unité laser (10) comprenant une source laser continue (12). 10 8. Procédé selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que dans l'étape d'usinage (200), le deuxième faisceau laser (F2, F20) est généré par une deuxième unité laser (20) comprenant une source laser impulsionnelle (22). 9. Procédé selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que dans l'étape 15 de formation (100) et l'étape d'usinage (200), les faisceaux lasers (F1, F10 ; F2, F20) sont focalisés par un même bloc optique (30) sur le lit de poudre (2) à fusionner ou sur la couche de matière à usiner. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'entre l'étape de formation 20 (100) et l'étape d'usinage (200), des moyens de guidage (40) sont déplacés en amont du bloc optique (30), sur le chemin optique des faisceaux lasers (F1, F10 ; F2, F20).