Brevet FR3056426A1 — publié le 20180330

Arrière-plan de l'invention La présente invention se rapporte au domaine général de la fabrication de pièces par fabrication additive, et plus particulièrement par fusion sélective ou frittage sélectif sur lit de poudre. Il est aujourd'hui courant d'avoir recours à des techniques de fabrication additive pour réaliser facilement et rapidement des pièces complexes. Lorsqu'il s'agit de la fabrication de pièces métalliques, en alliages métalliques ou en céramique, le procédé de fusion sélective (on parle de frittage sélectif lorsqu'il s'agit notamment de céramiques) sur lit de poudre permet d'obtenir des pièces complexes qui sont difficilement réalisables ou non réalisables avec les procédés conventionnels tels que la fonderie, la forge ou l'usinage. Le domaine aéronautique se prête particulièrement bien à l'utilisation de ce procédé. En outre, ce procédé 15 présente l'avantage d'être rapide et ne pas nécessiter d'outillage spécifique contrairement à la plupart des procédés conventionnels, ce qui réduit considérablement les coûts et les cycles de fabrication des pièces. Un tel procédé comprend généralement une étape durant laquelle est déposée sur un plateau de fabrication une première couche de 20 poudre d'un métal, d'un alliage métallique ou de céramique d'épaisseur contrôlée, puis une étape consistant à chauffer avec un moyen de chauffage (par exemple un laser ou un faisceau d'électrons) une zone prédéfinie de la couche de poudre, et de procéder en répétant ces étapes pour chaque couche supplémentaire, jusqu'à l'obtention, tranche par 25 tranche, de la pièce finale. Un outillage et un procédé de fabrication d'une pièce par fusion sélective ou frittage sélectif sur lit de poudre sont par exemple décrits dans la demande de brevet français FR 3030323 déposée par la Demanderesse. Dans les outillages de fusion ou frittage sélectif sur lit de poudre 30 mettant en oeuvre une source laser, certains problèmes peuvent se présenter. Le faisceau laser émis par la source peut occasionner des projections de poudre ou d'amas de poudre, et générer des fumées lorsqu'il impacte la couche de poudre déposée. Les projections peuvent ensuite retomber à d'autres endroits sur le plateau de fabrication, ce qui 35 peut générer finalement des défauts locaux dans la pièce obtenue. Dans 3056426 2 certains cas, ces projections peuvent même atteindre la source laser et l'endommager. En outre, dans le cas d'un outillage de fusion sélective sur lit de poudre, la poudre qui vient d'être chauffée par le faisceau laser est dans 5 un état liquide pendant un court instant. A l'état liquide, le matériau fondu de la poudre a tendance à absorber plus facilement les polluants présents dans l'atmosphère de l'outillage, ce qui n'est pas souhaitable lorsque l'on souhaite obtenir une pièce présentant des propriétés homogènes. Il existe donc un besoin pour un outillage permettant la 10 fabrication d'une pièce par un procédé de fusion sélective ou frittage sélectif sur lit de poudre, ainsi que pour un procédé le mettant en oeuvre, qui ne présentent pas les inconvénients précités. Objet et résumé de l'invention La présente invention a donc pour but principal de pallier de tels inconvénients en proposant un outillage pour la fabrication d'une pièce par un procédé de fusion sélective ou frittage sélectif sur lit de poudre, comprenant : - un plateau de fabrication ayant une surface de travail horizontale sur laquelle la pièce est destinée à être fabriquée, - une source laser apte à émettre un faisceau laser de longueur d'onde prédéfinie en direction de la surface de travail du plateau de fabrication, et - un élément de protection recouvrant la surface de travail et constitué d'un matériau transparent à la longueur d'onde du faisceau laser, ledit élément de protection étant positionné entre la source laser et le plateau de fabrication et présentant une face horizontale en regard de la surface de travail. La surface de travail correspond à la surface effective du plateau de fabrication sur laquelle la pièce est fabriquée, cette surface pouvant être inférieure à la surface totale du plateau de fabrication pour des pièces de petite taille par exemple. L'élément de protection peut ainsi recouvrir la totalité du plateau de fabrication, ou seulement une partie. La face de l'élément de protection en regard du plateau de fabrication peut être plane et parallèle à la surface de travail du plateau de fabrication. 3056426 3 L'outillage selon l'invention est remarquable en ce qu'il comprend un élément de protection qui recouvre la surface de travail du plateau de fabrication. Cet élément de protection est généralement interposé entre le plateau de fabrication et la source laser, et est 5 transparent à la longueur d'onde du faisceau laser (ou aux longueurs d'onde du faisceau laser, le cas échéant). De la sorte, le faisceau laser peut traverser l'élément de protection et être projeté en direction de la surface de travail du plateau de fabrication pour fusionner ou fritter une couche de poudre étalée sur ladite surface de travail. L'élément de 10 protection protège la poudre présente sur le plateau de fabrication, ainsi que la pièce en cours de fabrication et les différents organes de l'outillage, des éventuelles projections de poudre provoquées par le faisceau laser. En outre, l'élément de protection peut permettre d'isoler la poudre et la pièce en cours de fabrication sur le plateau de l'atmosphère à l'intérieur de 15 l'outillage qui peut contenir des polluants. Ainsi, l'élément de protection permet de réduire les défauts locaux et la présence de polluants dans la pièce finale, et d'augmenter la durée de vie de l'outillage. De préférence, l'élément de protection est une lentille convergente dont le point focal coïncide avec une sortie de la source laser. 20 Une telle lentille peut être par exemple une lentille plan-convexe présentant une face plane en regard du plateau de fabrication et une face bombée du côté opposé au plateau de fabrication. Une telle disposition permet avantageusement d'obtenir un faisceau laser qui est projeté avec une incidence normale sur le plateau de fabrication quel que soit l'angle 25 d'incidence du faisceau laser sur l'élément de protection. En effet, le point focal de la lentille, aussi appelé foyer objet de la lentille, coïncide avec la sortie de la source laser. Cette caractéristique est particulièrement appréciable lorsque l'on fabrique des pièces de grande taille avec une source laser fixe. En effet, en l'absence de lentille, l'angle d'incidence du 30 faisceau laser sur le plateau de fabrication varie selon le point du plateau de fabrication considéré. Sans une telle lentille formant l'élément de protection, la zone fondue ou frittée par le laser aux extrémités du plateau de fabrication est plus importante qu'en un point du plateau situé au droit de la sortie de la source laser, ce qui peut entraîner des défauts dans la 35 pièce finale. En variante, l'élément de protection peut être une plaque. 3056426 4 De préférence, l'élément de protection est mobile verticalement par rapport au plateau de fabrication. Cette caractéristique permet avantageusement de disposer d'une couche de poudre déposée qui est homogène et régulière, couche après couche et de façon répétable. En 5 effet, l'élément de protection mobile peut, après le dépôt d'une couche de poudre sur le plateau de fabrication (par exemple à l'aide d'un racleur ou d'un rouleau), venir tasser cette couche avec une pression prédéterminée pour l'aplanir et l'homogénéiser. Le contrôle de la position verticale de l'élément de protection peut permettre de laisser l'élément de protection 10 au contact de la couche de poudre qui est en train d'être traitée, afin d'assurer une protection maximale contre les projections et l'atmosphère environnante. En variante, l'élément de protection peut être séparé d'une distance prédéterminée de la couche de poudre en cours de traitement afin par exemple de laisser cheminer un gaz neutre entre l'élément de 15 protection et la poudre lorsque le matériau de la poudre nécessite un tel traitement. Dans ce dernier cas, la présence de l'élément de protection permet de concentrer le flux de gaz à proximité de la poudre et d'en améliorer ainsi l'efficacité. Dans un exemple de réalisation, l'élément de protection peut 20 comprendre un matériau choisi parmi les suivants : silice fondue, verre BK7, ZnSe, GaAs, germanium, quartz. De manière générale, on choisira un matériau qui est suffisamment résistant pour ne pas être endommagé par le faisceau laser ou la chaleur émise durant la fusion ou le frittage de la poudre, tout en étant suffisamment transparent au faisceau laser pour 25 éviter une dissipation trop forte d'énergie dans l'élément de protection. Par exemple, la transmittance du matériau choisi pour l'élément de protection peut être supérieure ou égale à 90%, voire supérieure ou égale à 95%, ou encore supérieure ou égale à 99%. Les dimensions de l'élément de protection, et notamment son 30 épaisseur, peuvent être conditionnées par exemple par sa forme et par la taille de la surface de travail à couvrir. En outre, l'élément de protection peut présenter une épaisseur suffisante pour lui conférer une tenue mécanique convenable, et suffisamment faible pour limiter la dissipation du faisceau laser dans l'élément de protection lorsqu'il le traverse. 35 L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'une pièce par fusion sélective ou frittage sélectif sur lit de poudre 3056426 5 mettant en oeuvre un outillage tel que celui décrit plus haut, le procédé comprenant successivement les étapes suivantes : - le dépôt d'au moins une couche de poudre d'un matériau destiné à constituer la pièce sur le plateau de fabrication, et 5 - la fusion ou le frittage d'au moins une partie de la couche de poudre déposée par le faisceau laser, le faisceau laser étant projeté sur la couche de poudre en traversant l'élément de protection. De préférence, le procédé comprend une étape de tassement de la couche de poudre par l'élément de protection après le dépôt de ladite 10 couche. Dans un exemple de réalisation, pendant l'étape de fusion ou de frittage d'au moins une partie de la couche de poudre par le faisceau laser, l'élément de protection peut être au contact de la couche de poudre. 15 Dans un exemple de réalisation, pendant l'étape de fusion ou de frittage d'au moins une partie de la couche de poudre par le faisceau laser, la couche de poudre et l'élément de protection peuvent être séparés d'une distance prédéterminée non nulle. 20 Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout 25 caractère limitatif. Sur les figures : - la figure 1 est une vue en coupe d'un exemple de réalisation d'un outillage selon l'invention avant le dépôt d'une couche de poudre, - la figure 2 montre le même outillage en train de fusionner une partie d'une couche de poudre déposée, 30 - la figure 2A est une vue agrandie de la figure 2 au niveau de l'élément de protection, - la figure 3 est une vue similaire à celle de la figure 2A et dans laquelle l'élément de protection est positionné différemment, et - la figure 4 est un ordinogramme montrant les différentes 35 étapes d'un procédé de fabrication d'une pièce par fusion sélective sur lit de poudre selon un mode de réalisation de l'invention. 3056426 6 Description détaillée de l'invention Un exemple d'outillage 1 pour la fabrication d'une pièce par fusion sélective sur lit de poudre est illustré sur les figures 1 à 3. 5 De façon connue en soi, l'outillage 1 comprend un réservoir de poudre 2 et une zone de fabrication 3 dans laquelle sera fabriquée une pièce 4. Le réservoir de poudre 2 contient une poudre 5, par exemple métallique ou d'un alliage métallique, qui constituera le matériau de la pièce 4. La zone de fabrication 3 contient la pièce 4 en cours de 10 fabrication, ainsi que de la poudre non fusionnée 6. On peut par exemple utiliser pour fabriquer la pièce une poudre d'un métal ou d'un alliage métallique choisi parmi les suivants : un alliage à base de Fer (par exemple en Acier XC48, Inox()), un alliage à base de Cobalt (par exemple : MAR-M-509®), un alliage à base de Nickel (par 15 exemple : Inconel®625, Hastelloy C276®, Hastelloy-X®, Hastelloy-WC)), un alliage à base de Titane (par exemple : TA6V, Ti6-2-4-2, Ti17, T40), un alliage à base de Molybdène, un alliage à base d'Aluminium (par exemple d'un des grades suivants : 1050, 6061, 7075, 5053, 2024, 2618, 2219), du Carbure de Silicium, du Carbure de Tungstène, etc. La taille des grains de 20 la poudre peut varier par exemple de 5 dam à 150 dam. Au fond du réservoir de poudre 2 se trouve un plateau mobile 7 horizontal et apte à se déplacer verticalement afin de pousser la poudre 5 vers le haut du réservoir 2. De même, au fond de la zone de fabrication 3 se trouve un plateau de fabrication 8 horizontal apte à se déplacer 25 verticalement, et notamment à s'abaisser au fur et à mesure de la fabrication de la pièce 4. Le plateau de fabrication 8 présente une surface supérieure 8a sur laquelle la pièce 4 est fabriquée. La surface supérieure 8a comprend quant à elle une surface de travail 8b correspondant à la surface effective au-dessus de laquelle la pièce sera fabriquée. La surface 30 de travail 8b peut être inférieure à la surface supérieure 8a du plateau de fabrication lorsque la pièce 4 présente une taille réduite par rapport à la surface supérieure 8a, comme c'est le cas dans l'exemple illustré. L'outillage 1 comprend également un rouleau 9 qui peut se déplacer horizontalement depuis le réservoir de poudre 2 vers la zone de 35 fabrication 3 afin de prélever une certaine quantité de poudre dans le réservoir 2, puis de l'étaler pour former une couche de poudre 13 (figure 3056426 7 2) sur le plateau de fabrication 8. On notera qu'il existe d'autres moyens connus pour étaler une couche de poudre sur le plateau de fabrication 8, par exemple un racleur ou un système de dépose. Une source laser 10 est présente dans l'outillage 1. La source 5 laser 10 peut par exemple comprendre un laser à CO2 ou un laser Nd-YAG. Dans l'exemple illustré, la source laser 10 est fixe et disposée au-dessus de la zone de fabrication 3 et centrée par rapport à celle-ci. La source laser 9 est apte à émettre un faisceau laser de longueur d'onde prédéterminée et de puissance suffisante pour fusionner des grains de 10 poudre. De façon connue en soi, la source laser 10 peut être équipée d'une lentille pour focaliser le faisceau laser au niveau de la zone de fabrication 3, et plus particulièrement là où une couche de poudre 13 peut être déposée par le rouleau 9, et de moyens pour diriger le faisceau laser sur toute la superficie de cette couche, par exemple des miroirs pivotants. 15 Conformément à l'invention, l'outillage 1 comprend en outre un élément de protection 11 recouvrant la surface de travail 8b du plateau de fabrication 8. Cet élément de protection 11 prend, dans l'exemple illustré, la forme d'une lentille convergente du type plan-convexe. L'élément de protection 11 présente ainsi une face plane 11a et horizontale en regard 20 du plateau de fabrication 8, et une face bombée 11b du côté opposé au plateau de fabrication 8. En d'autres termes, la face plane 11a est parallèle à la surface supérieure 8a du plateau de fabrication 8. L'élément de protection 11 est disposé au-dessus de la zone de fabrication 3 et au-dessous de la source laser 10, de façon à ce que le faisceau laser émis par 25 la source laser 10 traverse l'élément de protection 11 pendant la fabrication de la pièce 4. En d'autres termes, l'élément de protection 11 est positionné entre le plateau de fabrication 8 et la source laser 10. L'élément de protection 11 est ici centré par rapport au plateau de fabrication 8 et à la source laser 10. De manière générale, on veillera à ce 30 que l'élément de protection 11 recouvre au moins la surface de travail 8b du plateau de fabrication 8. L'élément de protection 11 peut recouvrir toute la surface supérieure 8a du plateau de fabrication 8. Dans une variante non illustrée, l'élément de protection 11 peut être une plaque présentant deux faces planes parallèles entre elles, et parallèles à la 35 surface supérieure 8a du plateau de fabrication 8. 3056426 8 L'élément de protection 11 est constitué d'un matériau transparent à la longueur d'onde du faisceau laser émis par la source laser 10. Un tel matériau peut être choisi par exemple parmi les suivants : la silice fondue, le verre BK7, ZnSe, GaAs, le germanium, le quartz. Ce 5 matériau peut être choisi de sorte que le faisceau laser n'endommage pas l'élément de protection 11 lorsqu'il le traverse. En outre, ce matériau peut être choisi pour résister à la chaleur émise par la fusion ou le frittage de la poudre. Dans l'exemple illustré, l'élément de protection 11 est mobile 10 verticalement dans l'outillage 1, c'est-à-dire qu'il peut se déplacer selon une direction perpendiculaire à la surface supérieure 8a du plateau de fabrication 8. La direction de déplacement de l'élément de protection 11 donnée par la double flèche 12 sur la figure 1. Les moyens pour déplacer l'élément de protection 11 ne sont pas représentés sur les figures et 15 peuvent par exemple consister en des pistons sur lesquels est monté l'élément de protection 11. Le déplacement vertical de l'élément de protection 11 permet, comme on le verra plus loin, de venir tasser une couche de poudre 13 déposée dans la zone de fabrication 3 et de régler l'espacement entre l'élément de protection 11 et cette couche 13 pendant 20 la fabrication de la pièce 4. Un procédé de fabrication d'une pièce par fusion sélective sur lit de poudre mettant en oeuvre un outillage 1 selon l'invention va à présent être décrit en lien avec les figures 1 à 3 et l'ordinogramme de la figure 4. L'outillage 1 illustré sur la figure 1 est dans une première 25 configuration, juste avant qu'une couche de poudre 13 ne soit déposée sur le plateau de fabrication 8, et juste après la fusion d'une partie de la couche de poudre précédente. Une partie de la pièce 4 a déjà été fabriquée. A l'étape El du procédé, on dépose une couche de poudre 13 30 sur le plateau de fabrication 8. Pour ce faire, le plateau mobile 7 est monté sur une longueur contrôlée afin de pousser une quantité suffisante de poudre hors du réservoir 2. Simultanément, le plateau de fabrication 8 est abaissé d'une longueur contrôlée qui correspond à celle choisie pour une couche de poudre, par exemple comprise entre 10 pm et 200 pm. 35 Ensuite, le rouleau 9 se déplace horizontalement vers la zone de fabrication 3 de façon à étaler une couche de poudre 13 (figure 2). Les 3056426 9 déplacements des plateaux 7 et 8, et du rouleau 9 sont indiqués par des flèches sur la figure 1. A l'étape E2, la couche de poudre 13 qui vient d'être déposée est tassée par l'élément de protection 11. Pour ce faire, l'élément de 5 protection 11 est amené au contact de la couche de poudre 13 qui vient d'être déposée. La pression exercée sur la couche de poudre 13 par l'élément de protection 11 pourra être contrôlée en fonction des besoins. Pendant cette étape, l'outillage 1 se trouve dans la configuration illustrée sur la figure 2. 10 A l'étape E3, une partie de la couche de poudre 13 est fusionnée par le faisceau laser 10a émis par la source laser 10. Dans la configuration illustrée sur la figure 2, l'élément de protection 11 est, durant l'étape E3, au contact de la couche de poudre 13. Il est avantageux que le point focal, ou foyer objet, de la lentille formant 15 l'élément de protection 11 coïncide avec une sortie de la source laser 10. De la sorte, le faisceau laser 10a est redressé après qu'il a traversé l'élément de protection 11, comme cela est visible sur la vue agrandie de la figure 2A. Ainsi, le faisceau laser 10a atteint la couche de poudre 13 avec une incidence normale, quelle que soit le point de la couche 13 20 considéré. Cette disposition permet une fusion des grains de poudre homogène sur toute la couche de poudre 13. Dans une variante illustrée sur la figure 3, l'élément de protection 11 peut, durant l'étape E3, être séparé d'une distance d prédéterminée de la couche de poudre 13. Dans cette configuration, il est 25 possible de faire circuler un gaz neutre, comme de l'argon ou du dihydrogène, à proximité de la couche de poudre 13 en cours de traitement. La présence de l'élément de protection 11 permet, dans ce cas, de concentrer le flux de gaz à proximité de la couche 13 et d'en améliorer l'efficacité. Ce gaz neutre peut être utile lors de l'utilisation de 30 matériaux qui sont sensibles à l'atmosphère environnante, par exemple sensibles à l'oxydation. Le cheminement d'un tel gaz neutre est schématisé par la flèche 14 sur la figure 3. Pour conserver les avantages liés à l'utilisation d'une lentille en tant qu'élément de protection 11, on pourra s'assurer que la sortie de la source laser 10 coïncide toujours avec 35 le point focal de la lentille dans cette configuration. 3056426 10 A l'étape E4, la poudre fondue a refroidi et s'est solidifiée pour former une tranche de la pièce 4. Les étapes El à E4 peuvent ensuite être répétées successivement pour chaque tranche de la pièce 4 à fabriquer en déposant une nouvelle couche de poudre sur la précédente, jusqu'à 5 l'achèvement de la pièce 4. Une fois la fabrication terminée, la pièce 4 est extraite de la zone de fabrication et peut subir des traitements de finition classiques (étape E5), tels que de l'usinage, du polissage, un traitement thermique, etc. 10 Un exemple d'outillage 1 selon l'invention, ainsi qu'un procédé de fabrication le mettant en oeuvre, ont été décrits pour la fabrication d'une pièce métallique ou en alliage métallique par fusion sélective sur lit de poudre. Il est bien entendu évident qu'un tel outillage et un tel procédé peuvent s'appliquer de manière similaire à la fabrication de pièces en 15 métal, en alliage métallique ou en céramique par frittage sélectif sur lit de poudre. REVENDICATIONS1. Outillage (1) pour la fabrication d'une pièce (4) par un procédé de fusion sélective ou frittage sélectif sur lit de poudre, 5 comprenant : - un plateau de fabrication (8) ayant une surface de travail (8b) horizontale sur laquelle la pièce est destinée à être fabriquée, - une source laser (10) apte à émettre un faisceau laser (10a) de longueur d'onde prédéfinie en direction de la surface de travail du 10 plateau de fabrication, et - un élément de protection (11) recouvrant la surface de travail et constitué d'un matériau transparent à la longueur d'onde du faisceau laser, ledit élément de protection étant positionné entre la source laser (10) et le plateau de fabrication (8) et présentant une face horizontale 15 (11a) en regard de la surface de travail (8b). 2. Outillage selon la revendication 1, dans lequel l'élément de protection (11) est une lentille convergente dont le point focal coïncide avec une sortie de la source laser. 20 3. Outillage selon la revendication 1, dans lequel l'élément de protection (11) est une plaque. 4. Outillage selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, 25 dans lequel l'élément de protection (11) est mobile verticalement par rapport au plateau de fabrication (8). 5. Outillage selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel l'élément de protection (11) comprend un matériau choisi 30 parmi les suivants : silice fondue, verre BK7, ZnSe, GaAs, germanium, quartz. 6. Procédé de fabrication d'une pièce (4) par fusion sélective ou frittage sélectif sur lit de poudre mettant en oeuvre un outillage (1) selon 35 l'une quelconque des revendications 1 à 5, le procédé comprenant successivement les étapes suivantes : 3056426 12 - le dépôt (El) d'au moins une couche de poudre (13) d'un matériau destiné à constituer la pièce (4) sur le plateau de fabrication, et - la fusion (E3) ou le frittage d'au moins une partie de la couche de poudre déposée (13) par le faisceau laser (10a), le faisceau laser étant projeté sur la couche de poudre en traversant l'élément de protection (11). 7. Procédé selon la revendication 6, comprenant une étape de tassement (E2) de la couche de poudre (13) par l'élément de protection 10 après le dépôt de ladite couche. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 et 7, dans lequel, pendant l'étape de fusion (E3) ou de frittage d'au moins une partie de la couche de poudre (13) par le faisceau laser (10a), l'élément 15 de protection est au contact de la couche de poudre. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 et 7, dans lequel, pendant l'étape de fusion (E3) ou de frittage d'au moins une partie de la couche de poudre (13) par le faisceau laser, la couche de 20 poudre et l'élément de protection (11) sont séparés d'une distance prédéterminée (d) non nulle.