Brevet FR3041889A1 — publié le 20170407

Arrière-plan de l'invention [0001] La présente invention concerne un procédé de fabrication additive de pièces complexes. [0002] La fabrication additive permet d'obtenir des pièces ayant des géométries relativement complexes en s'affranchissant des contraintes liées par exemple à l'utilisation d'un moule. [0003] Cependant, ces procédés de fabrication sont encore limités par le temps de fabrication requis qui est long, par les coûts de fabrication 10 élevés ainsi que par le volume réduit des pièces qui peuvent être produites. [0004] De plus, la fabrication additive entraîne généralement un degré d'anisotropie dans la pièce produite ce qui est défavorable, notamment pour les propriétés mécaniques de la pièce. 15 [0005] En outre, la fabrication de pièces comportant plusieurs matériaux différents reste relativement complexe, tant en fabrication additive qu'en fabrication traditionnelle. Objet et résumé de l'invention 20 [0006] La présente invention vise à remédier au moins en partie à ces inconvénients. [0007] A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de fabrication d'une pièce, le procédé comprenant les étapes suivantes : 25 - fabrication d'une enveloppe de la pièce par un procédé de fabrication additive ; - remplissage de l'enveloppe ; - pressage isostatique de la pièce. [0008] L'enveloppe ayant un volume de matière réduit par rapport au 30 volume total de matière compris dans l'enveloppe, le temps requis pour fabriquer l'enveloppe est réduit par rapport au temps requis pour fabriquer la pièce pleine par fabrication additive. Cependant, on conserve la possibilité de réaliser une pièce de géométrie complexe. Selon la pièce que l'on souhaite obtenir et/ou les matériaux utilisés, on pourra s'orienter par 35 exemple vers un procédé de fabrication additive sur lit de poudre ou par projection. 3041889 2 [0009] Le remplissage de l'enveloppe avec une poudre ou un mélange de poudres, un liquide ou un gaz permet de réaliser des pièces très variées, comprenant par exemple des volumes vides, des zones présentant des densités différentes, des matières différentes. On peut 5 également envisager de remplir au moins partiellement l'enveloppe avec des systèmes électriques et/ou électroniques et/ou mécaniques et/ou chimiques. L'enveloppe protège alors ses systèmes de l'environnement extérieur. Par ailleurs, l'utilisation de plusieurs matériaux permet par exemple d'obtenir une pièce dont la dilatation thermique est nulle et/ou 10 est contrôlée, ou d'autres propriétés physique comme la conductivité. On peut par exemple disposer des fils de tungstène dans l'enveloppe afin d'assurer une fonction de réchauffage. On peut également envisager d'insérer des composés ou des matériaux piézoélectriques. On peut aussi envisager d'insérer, dans l'enveloppe, des vésicules comprenant un ou 15 plusieurs produits chimiques, sous forme de liquide et/ ou de poudre, par exemple pour réaliser un soudage chimique. [0010] L'étape de pressage isostatique à chaud, le pressage isostatique à froid ou le pressage isostatique de densification sous vide permet quant à elle d'obtenir des pièces qui ne présentent notamment pas d'anisotropie 20 ou de porosité non désirée. Selon les conditions de température du pressage isostatique, la pièce peut être partiellement ou totalement densifiée. On peut ainsi appliquer à une même pièce plusieurs étapes de pressage isostatique à des températures données. Ainsi, par exemple, si la pièce comporte trois matériaux, on peut envisager de réaliser deux 25 pressages isostatiques. [0011] La fabrication de l'enveloppe peut comporter la fabrication d'une structure interne à l'enveloppe. [0012] On peut profiter de la grande versatilité de formes pouvant être réalisé par fabrication additive pour créer dans l'enveloppe une structure 30 interne qui peut permettre de rigidifier la pièce, de créer des gradients de matériau ou de créer des cavités distinctes au sein de l'enveloppe. Cette structure interne peut également permettre de piloter les déformations de la pièce lors de l'étape de pressage isostatique à chaud. [0013] La structure interne peut comprendre une structure interne 35 maillée. 3041889 3 [0014] On peut ainsi réaliser une pièce comportant deux matériaux différents présentant chacun un réseau tridimensionnel, les deux réseaux tridimensionnels étant intimement entrelacés. [0015] L'enveloppe fabriquée par le procédé de fabrication additive 5 peut comporter au moins deux régions présentant chacune une structure interne différente. [0016] On peut ainsi envisager de fabriquer par fabrication additive une enveloppe comprenant par exemple une partie pleine et une partie comprenant une structure interne ou une partie pleine et une partie creuse ou une combinaison d'une partie pleine, d'une partie creuse et d'une partie comprenant une structure interne. L'enveloppe peut également comprendre deux structures internes différentes. [0017] Préalablement au pressage isostatique, on peut fermer au moins partiellement l'enveloppe. [0018] Ainsi, on peut choisir de densifier uniquement la partie de la pièce comprise dans la partie fermée de l'enveloppe. [0019] La fermeture au moins partielle de l'enveloppe peut être réalisée par fabrication additive. [0020] Préalablement au remplissage de l'enveloppe, on peut vider l'enveloppe de la poudre non fusionnée pendant la fabrication additive. [0021] On peut ainsi créer des cavités au sein de l'enveloppe. [0022] Au moins une cavité de l'enveloppe peut être remplie avec une poudre différente de la poudre utilisée pour l'enveloppe. [0023] On peut ainsi former des pièces comprenant plusieurs matériaux différents. [0024] On peut également envisager de remplir la ou les cavités avec un matériau non ou difficilement fusionnable, tel qu'un alliage métallique communément désigné par la marque déposée AstroloyTM, ou un alliage métallique à base de nickel du type N18. [0025] Le procédé peut comporter une étape d'usinage de la pièce. [0026] On peut par exemple usiner la pièce de sorte à retirer une épaisseur donnée de matière correspondant à une épaisseur de l'enveloppe et/ou à une épaisseur supérieure à l'épaisseur de l'enveloppe. [0027] La pièce peut comprendre un alliage métallique et/ou un matériau céramique. 3041889 4 [0028] La pièce peut par exemple comprendre une matrice céramique renforcée avec des fibres. Les fibres peuvent être des fibres de carbone, des fibres minérales et/ou des fibres biologiques. [0029] La pièce que l'on peut envisager de produire au moyen du 5 procédé de fabrication définit ci-dessus est par exemple un conteneur alliant des propriétés différentes entre l'enveloppe et l'intérieur, l'enveloppe ayant par exemple une tenue à la corrosion supérieure à celle de l'intérieur de la pièce, ou de meilleures propriétés de soudage. L'intérieur peut par exemple avoir une meilleure tenue structurale et/ou de 10 meilleures propriétés thermiques. [0030] L'enveloppe peut être réalisée dans un matériau ayant ou non une certaine affinité avec des espèces chimiques, par exemple, l'enveloppe peut être inerte vis-à-vis de l'hydrogène. L'enveloppe peut également être réalisée dans un matériau protégeant des radiations, telles 15 que des radiations électromagnétiques. [0031] La pièce peut également être une pièce multi-matériaux permettant l'ancrage mécanique d'un autre élément ou permettant le soudage d'un autre élément ou permettant de contrôler le gradient thermique au sein de la pièce ou permettant un contrôle de la déformation 20 (matériaux fibreux ou à structure élastique par exemple). [0032] Selon le type de matériau utilisé pour le remplissage de l'enveloppe, on peut produire une pièce qui sera un échangeur gaz/gaz, gaz/liquide, gaz/solide, liquide/solide, solide/solide ou liquide/liquide. [0033] La pièce peut également avoir une fonction structurale et 25 présenter une structure interne maillée ou poreuse permettant d'assurer un refroidissement actif par transpiration ou effusion. [0034] On peut également envisager de fabriquer des pièces pouvant servir de puit de chaleur, de barrière thermique, de moules comportant un maillage complexe, tel qu'un carter intégrant un échangeur thermique. 30 Brève description des dessins [0035] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante de modes de réalisation de l'invention, donnés à 35 titre d'exemples non limitatifs, en référence aux figures annexées, sur lesquelles : 3041889 5 - les figures 1 à 4 illustrent les étapes d'un premier mode de réalisation du procédé de fabrication ; - les figures 5 à 14 illustrent les étapes d'un deuxième mode de réalisation du procédé de fabrication ; et 5 - la figure 15 est une vue en perspective d'une pièce fabriquée par le procédé de fabrication, représentant une coupe de la pièce. Description détaillée de l'invention 10 [0036] La figure 1 représente une vue en coupe d'une pièce 10 après une première étape d'un procédé de fabrication. Une enveloppe 12 de la pièce 10 a été fabriquée par un procédé de fabrication additive. Le procédé de fabrication additive peut être un procédé de fabrication sur lit de poudre ou en procédé de fabrication additive par projection ou tout 15 autre procédé de fabrication additive. [0037] Cette enveloppe 12 comporte une cheminée de remplissage 14 ainsi qu'une structure interne 16. [0038] Dans le mode de réalisation de la figure 1, la structure interne 16 comprend une première région 18 dans laquelle la structure interne 16 20 est une structure interne pleine 20 et une deuxième région 22 dans laquelle la structure interne 16 est une structure interne maillée 24. La structure interne pleine 20 et la structure interne maillée 24 sont réalisées dans le même matériau que le matériau de l'enveloppe 12, par exemple un alliage métallique communément désigné par la marque déposée 25 InconelTM. On parle par la suite d'Inconel pour désigner un alliage à base de fer alliés avec du nickel et du chrome. [0039] L'agrandissement de la structure interne maillée 24 montre une structure présentant un réseau tridimensionnel 26 du matériau de l'enveloppe 12 ainsi qu'un réseau tridimensionnel vide 28. 30 [0040] En outre, l'enveloppe 12 comprend également une cavité 30 qui communique avec la cheminée de remplissage 14 et le réseau tridimensionnel vide 28 de la structure interne maillée 24. [0041] La figure 2 représente la pièce 10 après remplissage de l'enveloppe 12, c'est-à-dire du réseau tridimensionnel vide 28 de la 35 structure interne maillée 24, de la cavité 30 et de la cheminée de remplissage 14, par une poudre 32. Cette poudre 32 peut être ou non du 3041889 6 même matériau que le matériau de l'enveloppe 12, cette poudre peut par exemple être une poudre de titane. [0042] Sur la figure 2, la pièce 10 comprend également un bouchon 34 disposé dans la cheminée de remplissage 14 de sorte à fermer l'enveloppe 5 12 avant pressage isostatiques, par exemple à chaud. Ce bouchon peut être une pièce extérieure rapportée sur l'enveloppe 12, il peut également être formé par soudage des bords de la cheminée de remplissage 14 et/ou par écrasement de la cheminée de remplissage 14 sur elle-même ou toute autre technique adaptée. 10 [0043] La figure 3 représente la pièce 10 après une étape de pressage isostatique à chaud au cours de laquelle la poudre de titane a été densifiée. La figure 4 représente la pièce 10 après une étape d'usinage au cours de laquelle l'enveloppe 12 a été retirée. La pièce 10 peut également être densifiée par pressage isostatique à froid et/ou pressage isostatique 15 de densification sous vide. Il sera alors généralement souhaitable de soumettre la pièce à un traitement thermique. [0044] Dans le mode de réalisation de la figure 4, la pièce 10 comprend trois régions : la première région 18 présentant la structure interne pleine 20 en Inconel, la deuxième région 22 présentant le réseau 20 tridimensionnel 26 en Inconel est un réseau tridimensionnel en titane et la troisième région 36 présentant une structure interne pleine 38 en titane. [0045] Grâce à l'utilisation combinée d'un procédé de fabrication additive et du pressage isostatique à chaud, la pièce 10 comprend deux matériaux différents qui sont intimement liés l'un à l'autre grâce à la 25 deuxième région 22 présentant deux réseaux tridimensionnels intimement interconnectés. En particulier, la deuxième région présentant les deux réseaux tridimensionnels intimement interconnectés n'aurait pas pu être obtenue en utilisant en procédé de fabrication additive seule ou un procédé de pressage isostatique à chaud seul. Par ailleurs, le temps de 30 réalisation de la pièce 10 est réduit du fait que seule la partie en Inconel est réalisée par le procédé de fabrication additive. [0046] Dans ce qui suit, les éléments communs aux différents modes de réalisation sont identifiés par les mêmes références numériques. [0047] Les figures 5 à 14 illustrent différentes étapes d'un deuxième 35 mode de réalisation du procédé de fabrication d'une pièce 10. 3041889 7 [0048] L'enveloppe 12 de la pièce 10 est fabriquée par un procédé de fabrication additive, par exemple sur lit de poudre. Aussi, au fur et à mesure que l'enveloppe 12 est fabriquée à partir de la poudre du lit de poudre, l'enveloppe 12 est également remplie par cette même poudre. Les 5 étapes de fabrication de l'enveloppe 12 par le procédé de fabrication additive et de remplissage de l'enveloppe 12 sont donc simultanées. [0049] Dans le mode de réalisation de la figure 5, l'enveloppe 12 comprend une structure interne 16 formés d'une cloison cylindrique 38 présente sur toute la hauteur de l'enveloppe 12. Cette cloison cylindrique 10 38 est dans le prolongement de la cheminée de remplissage 14. La cloison cylindrique 38 définit dans l'enveloppe 12 une première cavité 40 et une deuxième cavité 42 disposée autour de la première cavité 40. La première cavité 40 est donc en communication avec la cheminée de remplissage 14. [0050] L'enveloppe 12 comprend également une cheminée de 15 remplissage secondaire 40 qui est en communication avec la deuxième cavité 42. [0051] On comprend que la cloison circulaire 38 peut avoir un diamètre supérieur à celui de la cheminée de remplissage 14 et/ou avoir une autre forme qui peut être différente d'une forme régulière. 20 [0052] La figure 6 représente l'étape au cours de laquelle on vide l'enveloppe 12 de la poudre provenant du lit de poudre. Dans cet exemple particulier, les deux cavités 40, 42 sont vidées. [0053] Comme représenté sur la figure 7, une fois l'enveloppe 12 complètement vidée, elle est prête à être remplie. Chaque cavité 40, 42 25 peut être remplie par une poudre ou un mélange de poudres, un liquide ou un gaz. On peut également envisager d'insérer un système électromécanique dans une des cavités 40, 42 et de la remplir ensuite avec une poudre ou un mélange de poudres, un liquide ou un gaz. Chaque cavité 40, 42 peut être remplie avec des matériaux de nature différente. 30 [0054] La figure 8 représente la pièce 10 dans laquelle la cavité 42 a été remplie avec une première poudre 46 par la cheminée de remplissage secondaire 44. La figure 9 représente la pièce 10 dans laquelle la cheminée de remplissage secondaire 44 a été fermée par un premier bouchon 48 avant une première étape de pressage isostatique à chaud. 35 L'enveloppe 12 est donc partiellement fermée. 3041889 8 [0055] Tout comme dans le premier mode de réalisation, ce premier bouchon 48 peut être une pièce extérieure rapportée sur l'enveloppe 12, il peut également être formé par soudage des bords de la cheminée de remplissage secondaire 44 et/ou par écrasement de la cheminée de 5 remplissage secondaire 44 sur elle-même ou toute autre technique adaptée. [0056] La figure 10 représente la pièce 10 après densification de la première poudre 46 par pressage isostatique à chaud. Comme la cheminée de remplissage 14 n'a pas été fermée, la pression appliquée sur 10 la pièce 10 lors de l'étape de pressage isostatique à chaud est également appliqué à la première poudre 46 du côté de la première cavité 40 de la pièce 10. On obtient donc une densification isotrope de la première poudre 46. [0057] Comme représenté sur la figure 11, après la première étape de 15 pressage isostatique à chaud, la première cavité 40 est remplie par une deuxième poudre 50 par la cheminée de remplissage 14. La figure 12 représente la pièce 10 dans laquelle la cheminée de remplissage 14 a été fermée au moyen d'un deuxième bouchon 52, similaire au premier bouchon 48, et ce, préalablement à la deuxième étape de pressage 20 isostatique à chaud. [0058] La figure 13 représente la pièce 10 après la deuxième étape de pressage isostatique chaud au cours de laquelle la deuxième poudre 50 a été densifiée. La figure 14 représente la pièce 10 après usinage de la cheminée de remplissage 14 et de la cheminée de remplissage secondaire 25 44. [0059] Dans le mode de réalisation de la figure 14, la pièce 10 comprend l'enveloppe 12 réalisée dans le matériau du lit de poudre et un cylindre plein qui correspondant au volume de la première cavité 40. Ce cylindre plein est réalisé dans le matériau de la deuxième poudre 50. La 30 pièce 10 comporte également un volume de section annulaire réalisé dans le matériau de la première poudre 46. Ce volume de section annulaire est interposé entre l'enveloppe 12 et le cylindre plein. [0060] La figure 15 représente une pièce 10 obtenue par fabrication additive de l'enveloppe 12, l'enveloppe 12 comprenant une structure 35 interne maillée 24 présentant un réseau tridimensionnel 26 et un réseau 3041889 9 bidimensionnel de vide 54 qui a été rempli par une poudre différente ou non de la poudre du lit de poudre. [0061] Quoique la présente invention ait été décrite en se référant à un exemple de réalisation spécifique, il est évident que des différentes 5 modifications et changements peuvent être effectués sur ces exemples sans sortir de la portée générale de l'invention telle que définie par les revendications. En outre, des caractéristiques individuelles des différents modes de réalisation évoqués peuvent être combinées dans des modes de réalisation additionnels. Par conséquent, la description et les dessins 10 doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif. [0062] Par simplification, l'enveloppe 12 de la pièce 10 a été représentée sur les figures 1 à 15 sous forme d'un cylindre, on comprend que l'enveloppe peut être de forme plus complexe, par exemple avoir la forme d'une aube de turbine ou d'un carter. Il en va de même de la 15 cloison cylindrique 38. On comprend également que la cloison cylindrique est représentée centrée par rapport à l'enveloppe 12, elle pourrait ne pas l'être. L'enveloppe 12 pourrait également comprendre une pluralité de cloisons internes définissant chacune une cavité distincte. Par ailleurs, on peut également envisager de réaliser des structures maillées au sein des 20 différentes cavités. Ces structures maillées peuvent être différentes les unes des autres. Les structures maillées peuvent être régulières ou présenter un gradient, c'est-à-dire par exemple que l'épaisseur de la structure du réseau tridimensionnel réalisé par fabrication additive peut évoluer d'une zone à une autre de la structure interne maillée. On peut 25 ainsi produire des pièces comprenant des gradients de matériaux. [0063] Dans le mode de réalisation des figures 5 à 14, on pourrait envisager, par exemple à la fin de l'étape de fabrication additive, de fermer partiellement l'enveloppe 12 en fermant la cheminée de remplissage 14 ou la cheminée de remplissage secondaire 44, par procédé 30 de fabrication additive ou par un bouchon. Aussi, seule la cavité n'ayant pas été fermée est vidée de la poudre provenant du lit de poudre. On réduit ainsi le temps de fabrication par fabrication additive de la partie de l'enveloppe qui n'a pas été vidée. En effet, après pressage isostatique à chaud la partie de l'enveloppe qui comprend la poudre du lit de poudre est 35 densifiée sans avoir été produite par fabrication additive. 3041889 10 [0064] La fabrication additive peut être bien entendu réalisée par tout procédé de fabrication additive. REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'une pièce (10), le procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : - fabrication d'une enveloppe (12) de la pièce (10) par un procédé de fabrication additive ; - remplissage de l'enveloppe (12) ; - pressage isostatique de la pièce. 2. Procédé de fabrication selon la revendication 1, dans lequel, la fabrication de l'enveloppe (12) comporte la fabrication d'une structure interne (16) à l'enveloppe. 3. Procédé de fabrication selon la revendication 2, dans lequel la structure interne (16) comprend une structure interne maillée (24). 4. Procédé de fabrication selon la revendication 2 ou 3, dans lequel l'enveloppe (12) fabriquée par le procédé de fabrication additive comporte au moins deux régions (18, 22) présentant chacune une structure interne différente. 5. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel, préalablement au pressage isostatique, on ferme au moins partiellement de l'enveloppe (12). 6. Procédé de fabrication selon la revendication précédente, lequel la fermeture au moins partielle de l'enveloppe (12) est réalisée par fabrication additive. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel, préalablement au remplissage de l'enveloppe (12), on vide l'enveloppe (12) de la poudre non fusionnée pendant la fabrication additive. 8. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel au moins une cavité (30 ; 40, 42) 30 de l'enveloppe est remplie avec une poudre différente de la poudre utilisée pour l'enveloppe. 9. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant une étape d'usinage de la pièce (10). 3041889 12 10. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la pièce comprend un alliage métallique et/ou un matériau céramique.