Brevet FR3057793A1 — publié le 20180427

APPAREIL ET PROCÉDÉ POUR FABRIQUER UN OBJET TRIDIMENSIONNEL DOMAINE TECHNIQUE GÉNÉRAL ET ART ANTÉRIEUR La présente invention est relative à la fabrication additive sélective. La fabrication additive sélective consiste à réaliser des objets tridimensionnels par consolidation de zones sélectionnées sur des strates successives de matériau pulvérulent (poudre métallique, poudre de céramique, etc...). Les zones consolidées correspondent à des sections successives de l'objet tridimensionnel. La consolidation se fait, couche par couche, par une fusion sélective totale ou partielle réalisée avec une source de consolidation. Cette source est classiquement une source de rayonnement (par exemple un faisceau laser de forte puissance) ou encore une source de faisceau de particules (par exemple un faisceau d'électrons - technologie dite EBM ou « Electron Beam Melting » selon la terminologie anglo-saxonne généralement utilisée dans le domaine). Il a également récemment été proposé des machines hybrides dans lesquelles on utilise plusieurs sources d'énergie pour réaliser la fusion sélective. Par exemple, la source primaire est un canon à électrons, qui est utilisé pour réaliser la fusion sélective au niveau du coeur de l'objet. Il est complété par une source secondaire, qui est une source laser et qui est utilisée, couche après couche, pour réaliser la fusion sélective au niveau des zones de peau ou de bordure. De cette façon, il est possible d'obtenir un objet présentant des propriétés mécaniques ou métallographiques différentes au niveau de sa périphérie (bordure ou peau) et dans son volume (coeur). Un exemple en ce sens est par exemple décrit dans la demande de brevet W02013/092997. Dans les procédés de fabrication additive sélective, la vapeur, à l'état atomique ou sous forme d'amas d'atomes allant jusqu'à la poudre (également appelés « clusters »), est produite par la vaporisation de la surface sous l'effet du faisceau primaire (électrons ou laser) intense apportant l'énergie nécessaire à la fusion des poudres. Cette vapeur qui 3057793 2 s'y dégage est essentiellement neutre, car le processus d'évaporation a lieu, en général, à l'équilibre thermodynamique. Or, à la pression atmosphérique ou sous vide, la vapeur chargée ainsi constituée a une forte capacité à se déposer (condensation) sur tout 5 matériau solide avec lequel cette vapeur rentre en contact, et en particulier sur tous les métaux mais également sur les matériaux diélectriques (céramiques, verre, plastique, etc.) ou semi-conducteurs (silicium, germanium, GaAs, etc.). Les particules de cette vapeur se propagent donc vers les parois de 10 manière balistique à basse pression ou diffusive jusqu'à la pression atmosphérique. Les dépôts qui en résultent sont particulièrement néfastes. Ils conduisent à la formation, sur les éléments optiques à l'intérieur des enceintes de fabrication (miroirs, lentilles, optiques de caméras, etc...) 15 de couches minces qui sont opaques pour des longueurs d'ondes allant de l'ultraviolet à l'infrarouge, donc incluant le visible. Plus généralement, ces dépôts encrassent tous les autres composants et ne sont pas souhaitables. En outre, ces formations de dépôt sont d'autant plus importantes à 20 basse pression car le libre parcours moyen des espèces est alors très grand, voir comparable avec les dimensions de l'enceinte de la machine. Pour lutter contre les effets de ces dépôts, il est déjà connu de prévoir devant les optiques des caméras des films de protection déroulants et sacrificiels, qu'un opérateur peut avancer au fur et à mesure de leur 25 encrassement. Cette solution n'est pas pleinement satisfaisante. D'un point de vue mécanique, elle est complexe à mettre en oeuvre dans une enceinte de fabrication additive. En outre, les films de protection placés devant les optiques 30 empêchent d'obtenir des images optimisées. 3057793 3 PRÉSENTATION GÉNÉRALE DE L'INVENTION Un but général de l'invention est de pallier ces problématiques de dépôt. Plus particulièrement, l'invention propose une solution permettant 5 de limiter fortement les dépôts de vapeur chargée dans les enceintes de fabrication additive sélective. Elle propose en outre une solution permettant de protéger contre ces dépôts les optiques utilisées à l'intérieur des enceintes et plus généralement permettant de protéger toute autre surface sensible 10 indépendamment de sa nature. Également, l'invention propose une solution qui ne présente pas les inconvénients des solutions de l'art antérieur. Selon un premier aspect, l'invention propose un appareil pour fabriquer un objet tridimensionnel par fabrication additive sélective 15 comportant dans une enceinte : - Un support pour le dépôt des couches successives de poudre de fabrication additive, - Un arrangement de distribution adapté pour appliquer une couche de poudre sur ledit support ou sur une couche précédemment consolidée, 20 - au moins une source d'énergie adaptée à la consolidation sélective d'une couche de poudre appliquée par l'arrangement de distribution, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un élément de protection adapté pour piéger par polarisation électrique la vapeur chargée (sous forme d'ions positifs ou négatifs) se trouvant dans l'enceinte, ledit élément étant 25 en un matériau apte à être électriquement polarisé et étant situé au voisinage d'au moins un module et/ou composant optique/électronique à protéger des dépôts, l'appareil comportant en outre un montage de polarisation électrique adapté pour assurer l'établissement d'un champ électrique à l'intérieur et autour dudit élément de protection lors 30 d'opérations de fabrication additive. Dans un mode de réalisation, ledit élément de protection par polarisation est une plaque ou un secteur d'un écran thermique qui s'étend 3057793 4 au moins partiellement autour de la zone sur laquelle les couches de poudre sont appliquées. Notamment, ledit écran thermique peut comporter un châssis conducteur sur lequel des plaques ou secteurs sont rapportés en étant d'une part isolés dudit châssis et d'autre part isolés 5 entre eux, ledit châssis étant relié à la masse ou constituant une référence de potentiel pour le montage de polarisation. Selon un autre aspect encore, l'invention concerne un procédé de fabrication additive sélective dans lequel on applique une couche de poudre de fabrication additive sur un plateau ou sur une couche 10 précédemment consolidée et on met en oeuvre une consolidation sélective par fusion totale ou partielle de la couche de poudre appliquée au moyen d'au moins une source de consolidation, caractérisé en ce qu'on polarise électriquement un élément de protection, ledit élément étant en un matériau apte à être électriquement polarisé et étant situé au voisinage 15 d'au moins un module et/ou composant optique/électronique à protéger des dépôts entre moins deux desdits secteurs, ladite polarisation piégeant des ions de vapeur chargée dans l'enceinte. PRÉSENTATION DES FIGURES 20 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description qui suit, laquelle est purement illustrative et non limitative, et doit être lue en regard des figures annexées sur lesquelles : - la figure 1 est une représentation schématique d'un appareil de fabrication additive sélective conforme à un mode de réalisation possible 25 de l'invention ; - les figures 2 et 3 illustrent deux modes de réalisation possibles pour l'écran thermique et le montage de polarisation d'un appareil du type de celui de la figure 1. 3057793 5 DESCRIPTION D'UN OU PLUSIEURS MODES DE MISE EN OEUVRE ET DE RÉALISATION Généralités L'appareil 1 de fabrication additive sélective de la figure 1 5 comprend : - un support tel qu'un plateau horizontal 3 sur lequel sont déposées successivement les différentes couches de poudre de fabrication additive (poudre métallique, poudre de céramique, etc...) permettant de fabriquer un objet tridimensionnel (objet 2 en forme de sapin sur la figure), 10 - un réservoir 7 de poudre situé au-dessus du plateau 3, - un arrangement 4 pour la distribution de ladite poudre métallique sur le plateau, cet arrangement 4 comportant notamment une raclette 5 pour étaler les différentes couches successives de poudre (déplacement selon la double flèche A), 15 - un ensemble 8 de sources d'énergie pour le la fusion totale ou partielle) des couches fines étalées, - une unité de contrôle 9 qui assure le pilotage des différents composant de l'appareil 1 en fonction d'informations pré-mémorisées (mémoire M), 20 - un mécanisme 10 pour permettre de descendre le support du plateau 3 au fur et à mesure du dépôt des couches (déplacement selon la double flèche B). Dans l'exemple décrit en référence à la figure 1, l'ensemble 8 comprend deux sources de consolidation: 25 - un canon à faisceau d'électrons 11 et - une source 12 de type laser. En variante, l'ensemble 8 peut ne comprendre qu'une source, par exemple une source d'énergie opérant sous vide ou à basse pression : canon à électrons, source laser, etc... 30 Un miroir galvanométrique 14 permet d'orienter et de déplacer le faisceau laser issu de la source 12 par rapport à l'objet 2 en fonction des informations envoyées par l'unité de contrôle 9. 3057793 6 Tout autre système de déviation peut bien entendu être envisagé. Des bobines 15 et 16 de déflection et de focalisation permettent de défléchir et de focaliser localement le faisceau d'électrons sur les zones de couches à fritter ou fusionner. 5 Les composants de l'appareil 1 sont agencés à l'intérieur d'une enceinte étanche 17 reliée à une pompe à vide 18 qui maintient un vide à l'intérieur de ladite enceinte 17 (typiquement environ 10-2 / 10-3 mbar, voire 10-4/ 10-6 mbar). Les parois de l'enceinte 17 sont de préférence en acier et sont 10 suffisamment épaisses pour assurer la protection de l'opérateur contre les rayons X. L'enceinte 17 comporte par ailleurs des hublots (non représentés) permettant à l'opérateur de visualiser les différentes zones à l'intérieur de l'appareil, tout en assurant la protection contre les rayons X émis par le canon à électrons et contre les rayons lumineux émis par la 15 source laser. L'appareil 1 peut en outre comprendre des moyens de mesure de la température, tels une caméra IR ou CCD qui sont aptes à communiquer à l'unité de contrôle 9 des informations concernant la température de la couche de poudre et permettent d'ajuster ainsi les paramètres de 20 fonctionnement du canon d'électrons 11 ou de la source 12 de type laser. Dans un exemple d'utilisation possible, le faisceau laser 19 en provenance de la source 12 consolide, couche par couche, la peau ou bordure extérieure de l'objet 2. Le faisceau d'électrons 20 généré par le canon 11 est quant à lui utilisé pour consolider la partie centrale intérieure 25 de l'objet 2 (coeur). La consolidation réalisée par le faisceau d'électrons 20 peut se faire couche par couche, en même temps que la consolidation en périphérie par le faisceau laser 19. Le déplacement rapide du faisceau d'électrons 20 permet en effet de balayer et consolider la partie centrale de la couche, 30 tandis que le déplacement du faisceau laser, plus lent, s'effectue simultanément sur un trajet plus court, qui est celui du contour de ladite partie centrale. Un fonctionnement inverse peut également être envisagé 3057793 7 (balayage du coeur par le faisceau d'électrons et d'une zone de périphérie par le faisceau laser). En variante, la consolidation par le faisceau d'électrons 20 peut se faire sur plusieurs couches, après que chacune de ces couches aient été 5 fusionnées en périphérie par le faisceau laser 19. Le fonctionnement d'un tel appareil, ainsi que le dimensionnement et paramétrage de ses différents composants sont par exemple du type de ceux envisagés dans la demande W02013/092997. L'appareil 1 comporte en outre un écran thermique T. 10 Cet écran T est en un matériau destiné à absorber les radiations issues de l'impact des faisceaux d'électrons sur les couches de poudre. À titre illustratif, il peut se présenter avec une forme qui présente une ouverture permettant le passage d'un rayonnement et/ou faisceau et qui s'étend en s'évasant de ladite ouverture vers le plateau support. 15 Cette forme est par exemple une forme tronc-pyramidale ou tronconique constituée par l'assemblage de plusieurs plaques ou secteurs dans le matériau destiné à absorber les radiations. Il peut être disposé au-dessus du plateau 2 et de la zone où les couches de poudre sont appliquées, avec un espace permettant le passage 20 de la raclette 5. Montage de polarisation électrique L'appareil 1 comporte en outre au moins un élément de protection 25 polarisé situé au voisinage d'au moins un module et/ou composant optique/électronique à protéger, sur le trajet de la vapeur (par exemple de la vapeur chargée) qui se dégage dans l'enceinte à vide suite à la consolidation de la poudre. Cet élément ou ces éléments de protection polarisés sont destinés à 30 piéger les ions de vapeur qui remontent dans l'enceinte avant qu'ils n'atteignent le module et/ou composant optique/électronique à protéger. 3057793 8 Un tel élément de protection est par exemple une plaque ou un secteur (ou une paire de plaques ou secteurs) qui peuvent remplir simultanément la fonction d'écran thermique T. Il peut être en tout matériau susceptible d'être polarisé. 5 Dans l'exemple de la figure 2, cet écran T comprend un châssis 25 et quatre plaques planes 21 à 24 rapportés sur celui-ci et électriquement isolées d'une part dudit châssis 25 et d'autre part les unes des autres. Le châssis 25 est de forme générale pyramidale. Il est constitué de quatre montants 25a assemblés aux coins d'un grand cadre 25b et d'un 10 petit cadre 25c. Le châssis 25 comme les plaques 21 à 24 sont en un matériau électriquement conducteur, par exemple en acier. Les plaques 21 à 24 sont de forme correspondant à la forme des faces du châssis et sont rapportées sur le châssis 25 en étant isolées de 15 celui-ci par des cales diélectriques 26. Elles sont deux à deux en regard et sont polarisées par une alimentation électrique 31. Cette polarisation crée entre les plaques un champ électrique E qui dévie la vapeur chargée qui comporte au moins une charge élémentaire 20 libérée de la surface en fusion, pour qu'elle soit captée par les plaques 21 à 24 et que cette vapeur se dépose sur celles-ci au lieu de se déposer sur les différents composants à l'intérieur de l'enceinte 17. Ce champ électrique E a une composante principale orientée parallèlement au plan général du lit de poudre et des couches déposées 25 sur le plateau 3. Lors de la vaporisation du matériau déposé (métal, céramique, etc...) sous l'effet d'un faisceau ou rayonnement énergétique, une fraction plus ou moins importante de la vapeur libérée se trouve sous forme ionisée (ions positifs ou négatifs). 30 Le champ électrique E de polarisation agit sur les ions de vapeur chargée (ions monoatomiques, agrégats) avec une force de type électrostatique (F = qE), sensiblement parallèle au plateau. Cette force ajoute une composante de vitesse parallèle au plateau 3, c'est-à-dire 3057793 9 horizontale, induisant la déflexion de la vapeur ionisée par rapport à sa trajectoire initiale d'éjection de la surface (lors de la vaporisation). La vapeur ionisée est alors majoritairement interceptée par les secteurs 21 à 24 de l'écran thermique T : les ions positifs sont guidés par le champ E 5 vers le(s) secteur(s) 21 à 24 où la surface (y compris le châssis) de l'écran T est au potentiel le plus bas (cathode') ; les ions négatifs, tout comme les électrons libres, sont guidés vers le ou les secteurs où la surface est au potentiel le plus élevé (anode'). La fraction de vapeur qui le cas échéant s'échappe et traverse 10 l'ouverture haute du châssis (cadre 25c) est en tout état de cause déviée vers les parois de l'enceinte. Les surfaces optiques du laser et les différents composants électroniques en regard de cette ouverture s'en trouvent d'autant plus protégés. On notera en outre que lorsque la source de consolidation est un 15 canon d'électrons (source 11), la vapeur qui remonte croise ce faisceau et se trouve elle-même ionisée. Également, l'accélération entrainée par le champ E sur les électrons libres (autres que ceux du faisceau d'électrons primaires EBM) présents dans le volume délimité par les éléments polarisés induit elle-même une ionisation sous vide de la vapeur lors de 20 l'interaction avec celle-ci. Ceci augmente la fraction de vapeur ionisée et le rendement de capture de l'ensemble. À cet effet, la tension entre les plaques est choisie pour correspondre pour les électrons à une énergie supérieure à 15 eV et de 25 préférence de l'ordre de 50 eV. La tension entre deux plaques 21-24 en regard est néanmoins choisie pour ne pas perturber la trajectoire des électrons du faisceau 20 EMB Elle est à cet effet typiquement inférieure à 100 V, et plus 30 particulièrement inférieure à 75 V. Le champ électrique E est continu ou variable dans le temps. De nombreuses configurations sont à cet effet envisageables pour l'alimentation électrique 31 : celle-ci peut être une pile, une source de 3057793 10 tension continue, une alimentation basse ou haute fréquence, ou encore une alimentation bipolaire, multipolaire ou impulsionnelle. Une alimentation alternative à l'avantage de permettre de limiter l'impact du champ électrique E sur la trajectoire des électrons de la source 5 11. Une alimentation impulsionnelle a l'avantage de n'appliquer le champ électrique entre les plaques que sur des fractions de temps limité. On utilise à cet effet par exemple un générateur de fonctions basses fréquences (GBF avec une sortie type TTL). 10 Pour un écran thermique T d'une hauteur de l'ordre de 50 cm, le temps de transit pour remonter dans l'enceinte sous vide à travers cet écran thermique est estimé à 1 ms dans le cas de particules fines chargées. Pour des gouttelettes ou des gros amas d'atomes, ce temps de remontée devrait être inférieur, car la masse y est supérieure à celle des 15 particules fines. Ainsi, une fréquence de 1 kHz ou inférieure permet d'attirer efficacement la vapeur atomique ionisée et les amas chargés vers les plaques polarisées lors des impulsions. Pour une fréquence de répétition de 1 kHz, le rapport cyclique des 20 impulsions est par exemple choisi de l'ordre 1/10, soit une porte temporelle de 0,1 ms. Ainsi, 90% du temps les plaques latérales 21 à 24 ne sont pas polarisées ; le faisceau d'électrons 20 en provenance du canon 11 fonctionne sans perturbation. On notera que l'alimentation impulsionnelle des deux couples de 25 plaques 21 à 24 polarisés peut être réalisée au moyen de deux générateurs GBF fonctionnant en mode synchrone. Ils peuvent en outre être utilisés ensemble pour générer des impulsions de polarisation des plaques isolées positives ou négatives. Dans l'exemple illustré sur la figure 2, le châssis 25 est maintenu à 30 la masse du circuit d'alimentation, tandis que différentes tensions sont appliquées sur les différentes plaques 21 à 24 pour générer le champ électrique E. 3057793 11 Il peut être néanmoins prévu la remise à la masse des plaques 21 à 24 isolées, au moins pendant la phase pendant laquelle l'impulsion n'est pas appliquée. Ceci peut être réalisé par une alimentation symétrique programmable ou avec des switchs programmables, permettant de court- 5 circuiter les plaques isolées et les relier à la masse pour certaines configurations. D'autres configurations que celle décrite en référence à la figure 2 sont bien entendu envisageables. Notamment, le châssis peut ne pas être relié à la masse et servir de 10 potentiel flottant par rapport aux tensions appliquées aux différentes plaques 21 à 24. En variante également, ainsi qu'illustré sur la figure 3, l'une des plaques ou des secteurs peut elle-même (lui-même) être isolée électriquement prenant ainsi un potentiel flottant. Dans ce dernier cas, le 15 châssis 25 n'est pas nécessaire dès lors que les plaques ou secteurs 21 à 24 sont assemblés en étant électriquement isolés les uns par rapport aux autres. Cette isolation est par exemple assurée par les montants qui servent à l'assemblage desdites plaques ou desdits secteurs. Dans l'exemple de cette figure 3, l'écran thermique n'est pas 20 trapézoïdal, mais en tronc de cône, les secteurs 21 à 24 étant des secteurs de forme correspondante. Par ailleurs, dans d'autres variantes encore, le champ électrique peut être créé entre deux secteurs adjacents ; il peut également être créé entre des secteurs séparés de un ou plusieurs secteurs. 25 Par ailleurs, on s'est principalement placé dans ce qui précède dans le cas d'une fabrication additive sélective dans une enceinte sous vide. De façon plus générale, des pressions de travail inférieures à la pression atmosphérique, voire égales à celle-ci peuvent être envisagées. Des pressions de travail inférieures facilitent toutefois l'ionisation de la 30 vapeur du fait de l'application d'un champ électrique. REVENDICATIONS1. Appareil pour fabriquer un objet tridimensionnel par fabrication additive sélective comportant dans une enceinte : - Un support pour le dépôt des couches successives de poudre de fabrication additive, - Un arrangement de distribution adapté pour appliquer une couche de poudre sur ledit plateau ou sur une couche précédemment consolidée, - au moins une source adaptée à la consolidation sélective d'une couche de poudre appliquée par l'arrangement de distribution, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un élément de protection adapté pour piéger par polarisation électrique des ions de vapeur chargée se trouvant dans l'enceinte, ledit élément étant en un matériau apte à être électriquement polarisé et étant situé au voisinage d'au moins un module et/ou composant optique/électronique à protéger des dépôts, l'appareil comportant en outre un montage de polarisation adapté pour assurer la polarisation électrique dudit élément de protection lors d'opérations de fabrication additive. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit élément de protection par polarisation est une plaque ou un secteur d'un écran thermique qui s'étend au moins partiellement autour de la zone sur laquelle les couches de poudre sont appliquées. 3. Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit écran thermique comporte un châssis conducteur sur lequel des plaques ou secteurs sont rapportés en étant d'une part isolés électriquement dudit châssis et d'autre part isolés entre eux, ledit châssis étant relié à la masse ou constituant une référence de potentiel pour le montage de polarisation. 3057793 13 4. Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que le châssis est de forme tronc-pyramidale et comprend quatre montants reliés entre eux à leurs extrémités par deux cadres et en ce que les secteurs comportent quatre plaques rapportées sur les montants 5 dudit châssis. 5. Appareil selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que la tension entre deux plaques ou secteurs est inférieure à 100 V. 6. Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que la tension entre deux plaques ou secteurs est inférieure à 75 V. 10 7. Appareil selon l'une des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que la tension entre deux plaques ou secteurs est telle qu'elle puisse transmettre aux électrons libres une énergie de 15 eV ou supérieure. 8. Appareil selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en 15 ce que le champ électrique généré par le montage de polarisation est sensiblement parallèle au plan général du plateau support. 9. Appareil selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'enceinte de fabrication est à pression atmosphérique ou à une pression inférieure ou est sous vide. 20 10. Appareil selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte à la fois une source de rayonnement et une source de faisceau d'électrons. 11. Procédé de fabrication additive sélective dans lequel on applique une couche de poudre de fabrication additive sur un support ou sur 25 une couche précédemment consolidée et on met en oeuvre une consolidation sélective par fusion totale ou partielle de la couche de poudre appliquée au moyen d'au moins une source de consolidation, 3057793 14 caractérisé en ce qu'on polarise électriquement un élément de protection, ledit élément étant en un matériau apte à être électriquement polarisé et étant situé au voisinage d'au moins un module et/ou composant optique/électronique à protéger des 5 dépôts entre au moins deux desdits secteurs, ladite polarisation piégeant des ions de vapeur issus de la poudre de fabrication se trouvant dans l'enceinte. 10