Brevet FR3054461A1 — publié le 20180202

DESCRIPTION Procédé de reconstruction photographique dans la fabrication additive par fusion de poudre métallique. OBJET DE L'INVENTION L'invention présentement revendiquée est un procédé qui permet de réaliser la reconstruction virtuelle de la dimension réelle d'une pièce fabriquée de façon additive par fusion de poudre métallique, au moyen de l'analyse de photographies successives de chacune des couches de sa fabrication. La présente invention s'inscrit dans le cadre du domaine de la technologie de fabrication additive par fusion de poudre métallique, en fournissant une méthode de vérification dimensionnelle et des pores en temps réel, appliquée durant le processus de fabrication. État de la technique antérieure Un des problèmes présentés par la technologie de fabrication additive par « fusion de poudre métallique » (« Powder Bed Fusion » / également dénommée « Selective Laser Melting »), est que la pièce réelle fabriquée et obtenue diffère, quant à ses dimensions, de la pièce programmée (modèle numérique 3D CAD duquel elle provient). Ceci est dû, entre autres raisons, aux déformations thermiques subies par la pièce au cours de sa fabrication, comme conséquence de sa propre exposition à la source thermique qui, de façon successive, fond la poudre métallique. Ainsi, pour connaitre les dimensions réelles de la pièce fabriquée et déterminer sa géométrie réelle, il est nécessaire de la mesurer postérieurement, ce qui est obtenu au moyen d'un processus coûteux en termes de personnel, de matériel et, surtout, de temps. Ce processus est initié à la suite des étapes préalables suivantes 3054461 2 1. Finalisation du processus de fabrication. 2. Période d'attente associé au refroidissement de la chambre. 5 3. Extraction de la pièce de la chambre une fois que la température à l'intérieur y ait baissé suffisamment pour permettre sa manipulation. 4. Retrait des supports employés pour la fabrication de la pièce. 10 5. Nettoyage de la pièce elle-même, pour retirer la poudre métallique résiduelle accumulée sur sa surface et/ou dans ses cavités. Ce n'est qu'après avoir réalisé tous ces processus, tout très coûteux en termes de temps, qu'il est possible de mesurer la pièce au moyen d'équipements spécifiques 15 de relevé de mesures tridimensionnelles, comme les calibres, micromètres, équipements de mesure par coordonnées, scanner 3D, etc.... Un autre des problèmes associés aux techniques de fabrication additive, spécialement celle des métaux, est que le matériel résultant de la fabrication 20 présente des pores dans son intérieur. Par conséquent, ses capacités mécaniques sont diminuées parce qu'il n'est pas dense à 100%. Au vu l'état actuel de la technique, pour déterminer la porosité d'une pièce en cours de fabrication, il faut, à présent, l'analyser au terme de son processus de 25 fabrication, ce qui rallonge considérablement la durée du processus jusqu'à l'obtention de résultats, du fait que l'analyse susmentionnée ne peut être réalisée qu'à la conclusion des phases suivantes : 1. Finalisation du processus de fabrication. 30 2. Refroidissement de la chambre. 3. Extraction de la pièce. 35 3054461 3 4. Retrait des supports. 5. Nettoyage de la pièce. 5 En outre, les analyses métallographiques des pièces sont, de surcroît, coûteuses, car elles sont soit destructives, du fait qu'elles exigent la découpe de la pièce pour analyser sa porosité sur chacune de ses sections, soit peu précises, comme, par exemple, la méthode d'Archimède de submergement de la pièce dans un fluide, ou encore, excessivement chères, comme l'utilisation des rayons X. 10 Au vu l'état de la technique des photographies utilisée dans la fabrication additive par fusion de poudre métallique, il est habituel que l'état de la technique exige la réalisation de photographies dans la chambre de traitement en cours de fabrication, uniquement aux fins d'évaluer l'homogénéité de la couche de poudre 15 apportée par le distributeur de poudre, ce qui implique que chaque photographie soit prise au moment où la couche de poudre métallique recouvre chaque section de la pièce, ce qui masque, par conséquent, sa géométrie. Par contre, le procédé de reconstruction photographique dans la fabrication 20 additive par fusion de poudre métallique apporte, en relation à l'état de la technique, une méthode basée sur la réalisation d'une photographie de haute résolution pour chaque section construite de la pièce, juste après la solidification mais avant la réalisation de l'apport de la couche de poudre recouvrante suivante. Cette photographie, traitée en temps réel, permettra, au moyen d'un algorithme 25 informatique de superposition de couches, de générer ou reconstruire le modèle tridimensionnel de la pièce réelle fabriquée, qui diffère de la géométrie programmée et fournit les informations suivantes : 1. Dimensions réelles de la pièce fabriquée sans besoin de mesurer la pièce réelle 30 ou de devoir investir du temps pour la mesurer. 2. Dimension et distribution des pores dans le volume intérieur de la pièce, sans besoin de réaliser l'analyse métallographique postérieure de la pièce. 35 3054461 4 EXPLICATION DE L'INVENTION L'explication du procédé de reconstruction photographique en fabrication additive par fusion de poudre métallique consiste en une méthode, ou procédé itératif, qui 5 se développe en fonction de la séquence suivante : Réalisation d'au moins une photographie de haute résolution de chaque couche, après le traitement au moyen de l'exposition à une source de chaleur et la solidification et ce, pour chacune des étapes. 10 Stockage de chaque photographie sur le disque dur du calculateur de la machine et exportation à la station de travail correspondante. Station de travail qui utilise l'algorithme de traitement des images correspondant, 15 qui consiste en la superposition de couches dont la géométrie horizontale est fournie par les images respectives prises au cours des étapes successives alors que sa hauteur est celle qui est fixée dans le contrôle du processus. De cette manière, l'algorithme ajoute numériquement une photographie sur celle qui correspond à l'étape antérieure, en lui conférant une épaisseur ou hauteur égale à 20 celle qui a été fixée dans le contrôle. Ainsi, le modèle numérique sera formé par autant de couches numériques que de couches réelles réalisées au cours du processus de fabrication additive. Après le traitement de la pièce à fabriquer, au moyen de l'exposition et 25 solidification correspondante de la dernière couche, ou au fur et à mesure de la réalisation du processus de fabrication en fonction d'étapes successives, le système fournit le modèle tridimensionnel de la pièce réelle obtenue par superposition des photographies ainsi que l'information de la distribution exacte, des dimensions et de la forme des pores. 30 DESCRIPTION DES DESSINS Pour compléter la description actuelle, et afin d'aider à rendre plus facile la compréhension des caractéristiques de l'invention avec un exemple de réalisation 35 préférentielle pratique de cette dernière, nous joignons, en tant que partie intégrale de ladite description, une série de dessins, à caractère illustratif et non limitatif, comme suit : 3054461 5 Figure 1.- Vue verticale du processus de fabrication additive par fusion de poudre métallique. Figure 2.- Vue horizontale du processus de fabrication additive par fusion de 5 poudre métallique. Figure 3.- Photographie de la couche n. Figure 4.-Échantillon la reconstruction numérique de la pièce au moyen de la 10 méthode de "Reconstruction photographique de fabrication additive par fusion de poudre métallique". Les éléments constitutifs suivants sont illustrés sur ces figures : 15 1. Source de chaleur. 2. Faisceau de lumière qui active le réchauffement de la poudre métallique. 3. Poudre métallique. 20 4. Couche de fabrication n° 1. 5. Couche de fabrication n° 2. 25 6. Couche de fabrication n° n. 7. Appareil photo. EXEMPLE DE RÉALISATION PRÉFÉRENTIELLE ILLUSTRÉE SUR FIGURES 30 Les figures 1-4 illustrent, à titre d'exemple de réalisation préférante du procédé de reconstruction photographique de la fabrication additive par fusion de poudre métallique, comment celle-ci est déployée en tant qu'appui à la technologie de la fabrication additive par exposition de la couche de poudre à la source de chaleur, 35 3054461 6 avec la fusion conséquente de la couche de poudre et la solidification postérieure immédiate réalisée dans chacune des étapes de fabrication, en fonction de la séquence suivante : 5 1. Prise de photographie de la dernière couche solidifiée. 2. Stockage de la photographie sur le disque dur interne de la machine. 3. Envoi de la photographie sur réseau interne du disque dur de la machine au 10 disque dur d'un ordinateur externe, pour réaliser le traitement de l'image. 4. Traitement de l'image au moyen de conversion de la photographie à un nuage de points et triangulation du nuage de points pour obtenir un fichier "STL" ou analogique avec lequel il est possible de travailler géométriquement ; c'est à dire, 15 un fichier géométrique bidimensionnel plat. 5. Affectation au fichier géométrique bidimensionnel plat d'une épaisseur égale à l'épaisseur de la couche de traitement de la machine, à titre d'exemple 30 micromètres. 20 6. Génération d'un fichier géométrique tridimensionnel après avoir conféré une épaisseur au fichier géométrique bidimensionnel plat, fournissant déjà la « couche numérique » correspondante du solide en cours de traitement dans la machine. 25 7. Addition de cette « couche numérique » à la « couche numérique » de l'itération antérieure 8. Répétition itérative de la séquence décrite pour chacune des couches dans lesquelles le processus de fabrication est divisé, jusqu'à la fin du processus au 30 niveau de la dernière couche « couche u ». Ainsi, à partir de la séquence décrite, le résultat de la superposition des « couches digitales », successives, depuis la couche 1 jusqu'à la couche u, constitue le « solide 3D numérique » qui reproduit avec une précision absolue le solide en 35 cours de traitement. 3054461 7 Il n'est pas considéré nécessaire de rallonger cette description du fait que tout expert en la matière comprendra la portée de l'invention ainsi que les avantages en découlant. 5 La technique de fabrication additive employée, de photographie, le nombre de photographies associé à chaque étape de fabrication, ou la programmation elle-même sur la base de laquelle l'algorithme est appliqué pour fournir la reproduction numérique, sont susceptibles d'être modifiés, à condition que cela n'altère en rien l'essence de l'invention. 10 Les termes utilisés dans ce mémoire devront toujours être interprétés dans le sens le plus ample et non limitatif. 15 20 25 30 35 REVENDICATIONS1.- Procédé de reconstruction photographique dans la fabrication additive par fusion de poudre métallique, caractérisé par sa capacité à fournir une méthode itérative, développée en tenant compte de la séquence suivante : A. Réalisation d'au moins une photographie de haute résolution sur chaque couche, après traitement au moyen de l'exposition à une source de chaleur et solidification, dans chacune des étapes de la fabrication. B. Stockage de chaque photographie sur le disque dur du calculateur de la machine et exportation à la station de travail correspondante. C. Station de travail dans lequel l'algorithme correspondant est appliqué au traitement des images, consistent en la superposition de couches digitales dont la géométrie en horizontale est fournie par les images respectives prises dans les étapes successives, alors que sa hauteur est celle qui a été fixée dans le contrôle du processus, jusqu'à la production d'un modèle numérique formé par autant de couches numériques que de couches réelles issues du processus de fabrication additive, jusqu'à fournir un modèle tridimensionnel de la pièce réelle, obtenu par la superposition de photographies, ainsi que l'information de la distribution exacte, des dimensions et de la forme des pores. 30 35