Brevet FR3087270A1 — publié le 20200417

PROCEDE ET DISPOSITIF DE CONTROLE DE LA QUALITE D'UN LIT DE POUDRES DANS LES PROCEDES DE FABRICATION ADDITIVE Domaine de l'invention L'invention se situe dans le domaine de la Fabrication Additive (FA), notamment le domaine de la fabrication additive basée sur la mise en oeuvre d'un lit de poudres, et concerne plus particulièrement un procédé et un dispositif de contrôle de la qualité d'un lit de poudres étalée par un dispositif de mise en couche d'un système de fabrication additive. 10 Etat de la Technique Le terme de fabrication additive désigne selon la norme NF E 67001, « l'ensemble des procédés permettant de fabriquer couche par couche par ajout de matière un objet physique à partir d'un objet numérique ». Ce terme regroupe des dizaines d'appellations de 15 technologies de fabrication, classées en sept catégories de procédés selon la norme NF ISO 17296-2 Juin 2015. Parmi ces procédés basés sur la mise en oeuvre d'un lit de poudres, on trouve en particulier ceux où la poudre est fondue et resolidifiée localement, désignés comme fusion sur lit de poudres ou par 20 l'acronyme anglais (PBF) pour « Powder Bed Fusion ». Les procédés dits PBF incluent les procédés mettant en oeuvre une fusion complète des grains de poudre (e.g. SLMTM pour « Selective Laser Melting » ou EBM pour « Electron Beam Melting »). Par abus de langage, l'acronyme PBF est utilisé pour les procédés où la cohésion de la matière est assurée par 25 frittage du matériau (procédés SLS pour « Selective Laser Sintering »). Rentrent également dans le cadre des procédés lits de poudre ceux basés sur l'injection locale d'un liant sur le lit, on parle alors de Binder Jetting ou de procédé à jet de liant. 2 Dans ces procédés, il est fondamental de contrôler la qualité du lit de poudres, notamment pour détecter des défauts de type oxydation des poudres constitutives du lit ou des hétérogénéités dans ledit lit susceptibles de conduire à des défauts sur les pièces élaborées. Pour l'analyse de la qualité de la mise en couche d'un système d'étalement dans les procédés PBF, les techniques de l'optique, dans la gamme de longueur d'ondes du visible sont généralement utilisées. Pour ce faire, une (ou une pluralité de) prise(s) de vue sont effectuées, et l'analyse du signal permet de détecter d'éventuels manques ou excès de matière. Cependant ces techniques optiques ne permettent pas d'accéder à des informations sur la morphologie du lit de poudres sous la surface. Elles sont par ailleurs limitées pour détecter l'oxydation des poudres. Une autre technique de monitoring couramment utilisée dans les procédés PBF est basée sur l'analyse d'un signal thermographique dans la gamme Infra Rouge, comme décrit dans l'article de B. Lane, S. Moylan, E. Whitenton, L. Ma, Rapid Prototyp J., 22 (2016) 778-787. Cette technique mesure le flux rayonné par la matière et apporte des informations intéressantes quant au champ de température à la surface du lit de poudres. Cependant, là encore cette technique ne permet pas d'accéder à des informations détaillées sur la compacité et la morphologie du lit de poudres sous la surface et ses capacités en matière de détection de défauts du type oxydation sont limitées. La technique des Courants de Foucault (CF), basée sur la détection d'un signal électrique émis par un matériau conducteur de l'électricité soumis à un champ électromagnétique variant dans le temps est également une technique connue pour faire du contrôle. Il est connu de l'homme de l'art que la profondeur sondée par le courant excitateur dépend de la fréquence de l'onde et de la perméabilité magnétique et de la conductivité électrique du matériau sondé. La technique des courants de Foucault a déjà été utilisée dans le domaine de la fabrication additive pour la détection de défauts sur des pièces en cours d'élaboration, tels 3 que des fissures, des manques de fusion, des porosités, des irrégularités de forme. La demande de brevet U.S. 2016/0349215 Al de E.I. Todorov décrit la possibilité d'implémenter une pluralité de sondes à Courants de Foucault sur un dispositif d'étalement des poudres, utilisant une gamme 5 de fréquences entre 1.5 MHz et 4 MHz. Cependant, cette approche ne donne pas d'informations sur la possibilité de sonder le lit de poudres lui-même. Il existe donc un besoin pour pallier les inconvénients des approches connues et pour proposer une solution permettant l'analyse in 10 situ de la qualité d'un lit de poudres subséquemment à la mise en couche dans les procédés de Fabrication Additive de type PBF. La présente invention répond à ce besoin. Résumé de l'invention 15 Un objet de la présente invention concerne un procédé et un dispositif de contrôle de la qualité du lit de poudres dans les procédés de fabrication additive, et plus particulièrement la famille des procédés de fusion sur lit de poudres (PBF). Plus précisément, l'invention vise à 20 détecter des dérives sur la qualité des poudres et dans la qualité de mise en couche, dérives dues par exemple à une entrée d'oxygène dans la chambre de fabrication ou une usure de l'instrument (e.g. raclette ou rouleau) utilisé pour l'étalement et la compaction des poudres ou dues à un défaut d'alimentation en poudre. L'invention vise en particulier à 25 caractériser la qualité de mise en couche pour détecter d'éventuelles hétérogénéités spatiales d'étalement ou de dérives temporelles au cours du procédé de FA. Un problème que vise à résoudre la présente invention est celui de l'analyse de la qualité des lits de poudres dans les procédés de 30 fabrication additive basés sur la mise en oeuvre d'un lit de poudres, utilisant des matériaux conducteurs de l'électricité. 4 Or il est connu de l'homme du métier que sur un matériau diphasique type empilement de poudres, le signal CF obtenu par un dispositif à courants de Foucault rend en fait compte de l'impédance électrique du milieu. Par ailleurs dans un matériau tel qu'un lit de poudres, 5 les composantes imaginaires (inductance et capacité) de l'impédance sont généralement plus importantes que dans un matériau métallique dense, où l'impédance est dominée par la résistance (ou de façon équivalente la conductance) du matériau. Une première difficulté est que la conductivité électrique d'un 10 matériau métallique dépend de la température, cette dernière variant au cours de l'élaboration dans un procédé PBF. Aussi, l'invention propose d'associer une évaluation de température à celle des courants de Foucault (CF) pour faire la part dans l'interprétation du signal CF, des variations liées à la température de celles associées à d'éventuelles 15 dérives liées à la mise en couche. Bien qu'il n'était a priori pas évident de penser que les poudres étaient suffisamment conductrices pour permettre une analyse par CF, les inventeurs ont évalué que cela était possible pour la plupart des lits de poudres de matériaux métalliques. Les matériaux concernés par la 20 présente invention sont les matériaux conducteurs électriques, plus particulièrement les métaux. Pour justifier leur affirmation, les inventeurs se basent au premier ordre sur la loi de Wiedemann et Franz qui permet de relier la conductivité thermique et la conductivité électrique d'un matériau métallique et ils 25 utilisent le fait observé expérimentalement que les conductivités thermiques des métaux varient assez peu avec la température. Ainsi au premier ordre, la conductivité électrique d'un métal peut donc être considérée comme variant en ordre de grandeur comme l'inverse de la température en kelvins, ce qui conduit à des variations significatives. 30 Un autre facteur très important que les inventeurs ont pris en compte pour l'analyse des signaux est le fait que la matière est déposée 5 sous forme de poudres qui ne permettent un transfert des porteurs de charges qu'aux points de contact entre les grains de poudres. De ce fait, la conductivité d'un lit de poudres est donc très significativement inférieure à celle d'un matériau massif, et comme exposé ci-dessus, elle 5 peut présenter une composante complexe, liée par exemple à des effets capacitifs. Dans les approches par simulation numérique des procédés de fabrication additive, il y a lieu dans les modèles de simulation d'indiquer une valeur de conductivité thermique du lit de poudres. Même si la 10 littérature fait état de différences d'appréciation sur le rapport entre les conductivités thermiques d'un matériau sous forme de lit de poudres et sous forme massive, ce rapport n'est jamais en pratique pris inférieur à 0.01. A une température donnée, on peut donc penser que la conductivité du lit de poudres ne sera pas inférieure au centième de celle du matériau 15 massif. Par ailleurs, on désigne par « l'épaisseur de peau », la hauteur de la zone sous la surface pénétrée par le champ électromagnétique incident. Cette hauteur qui est fonction du produit de la conductivité électrique par la fréquence d'excitation, est conventionnellement donnée 20 par la formule suivante : 8 (7ciief)-1/2 où 3, g, 6 et f représentent respectivement l'épaisseur de peau, la perméabilité magnétique et la conductivité électrique du matériau et la fréquence d'excitation. 25 II est alors nécessaire, en fonction de la nature du matériau à élaborer, de la granulométrie et de la morphologie des poudres, ainsi que de leur taux de compaction, d'utiliser des fréquences d'excitation plus élevées que celles rencontrées habituellement dans les techniques à courants de Foucault pour compenser la faible conductivité électrique des 30 poudres. Selon différentes configurations, les fréquences d'excitation que les inventeurs ont déterminées comme opérantes pour la mise en oeuvre 6 de l'invention, peuvent varier entre 5 et 500 MHz, et préférentiellement être dans une plage allant de 50 à 200 MHz. Dans un mode préférentiel de mise en oeuvre, l'invention utilise la variation de la profondeur de pénétration conventionnelle ou effet de 5 peau, avec la fréquence d'excitation pour sonder différentes profondeurs en subsurface, l'échelle de sondage étant donnée par l'épaisseur de peau définie ci-dessus. Dans la pratique, le signal d'excitation pour alimenter le(s) capteur(s) à courants de Foucault peut avantageusement comprendre plusieurs fréquences, identiques ou non, pouvant être 10 appliquées de manière simultanée ou plusieurs fréquences appliquées successivement. Avantageusement, le procédé de l'invention est applicable à une vaste gamme de métaux purs et d'alliages métalliques, par exemple ceux basés sur l'aluminium (AI), le chrome (Cr), le fer (Fe), le nickel (Ni) et le 15 titane (Ti) Le procédé de l'invention est particulièrement bien adapté aux matériaux présentant une perméabilité magnétique élevée, comme le fer, le nickel, ce qui permet, à conductivité électrique et fréquence d'excitation données, de réduire l'épaisseur de peau. 20 Une difficulté supplémentaire que les inventeurs ont dû prendre en compte est celle liée à la rugosité du lit de poudres, celui-ci pouvant récupérer en surface des éjectats, particules émises sous forme liquide par le bain de fusion et qui se redéposent sous forme solide à la surface du lit de poudres. Aussi, de manière préférentielle, il doit être conservé 25 une distance de sécurité ou entrefer entre un capteur à courants de Foucault et le lit de poudres, afin de prendre en compte la présence d'éjectats. En fonction de la taille (diamètre) du bobinage utilisé pour la ou la pluralité des sondes à courants de Foucault, le dispositif de l'invention maintient un entrefer qui peut aller de 50 pm à 1 cm, et préférentiellement 30 de 50 pm à 2 mm. 7 Ainsi, le principe général de l'invention pour l'analyse de la qualité d'un lit de poudres sur une zone à inspecter, consiste en l'utilisation d'une technique de mesures CF in situ de Courants de Foucault (par un appareil émetteur/récepteur à courants de Foucault), puis en la 5 combinaison des mesures CF obtenues avec une évaluation de la température du lit de poudres faite au voisinage de la zone inspectée. L'expression 'au voisinage' de la zone inspectée doit s'entendre comme indiquant que l'évaluation de température peut être faite pour une zone couvrant la totalité de la zone inspectée ou une partie de la zone 10 inspectée ou aux environs de la zone inspectée. Avantageusement, l'évaluation de température peut être réalisée en surface et/ou en subsurface par tous moyens connus de l'homme de l'art. Il peut être cité sans limitation, l'utilisation d'une caméra sensible au rayonnement infrarouge et/ou l'utilisation d'un ou d'une pluralité de 15 pyromètres. Dans un mode de réalisation, une pluralité de détecteurs infrarouges est installée de façon adjacente à une pluralité de capteurs à courants de Foucault sur un dispositif mobile capable de scanner l'ensemble du lit de poudres. Dans un autre mode de réalisation, des moyens de simulation 20 numérique des transferts de chaleur peuvent être mis en oeuvre de manière alternative ou complémentaire à la mesure de température, pour estimer la température dans la partie supérieure du lit de poudres. La simulation peut s'appuyer sur des données fournies par des thermocouples situés sous le plateau de la machine de FA. 25 L'invention trouvera des applications avantageuses dans de nombreux domaines techniques tels que les industries aéronautique, spatiale, médicale ou automobile, pour ne citer que ces exemples d'industries qui peuvent faire usage de procédés de fabrication additive basés sur lit de poudres. 30 Ainsi le procédé de l'invention s'applique avantageusement à la fabrication additive par les procédés utilisant un lit de poudres, 8 notamment les procédés (SLMTM, EBM, SLS). Le procédé de l'invention concerne également les procédés à jet de liant connu comme c REVENDICATIONS1. Un procédé (500) de contrôle de la qualité d'un lit de poudres dans un dispositif de fabrication additive, le procédé comprenant les étapes de : - mesurer (502) un signal électrique représentatif de valeurs de courants de Foucault, reçu en réponse à une excitation électromagnétique variable dans le temps produite par un émetteur sur une zone à inspecter d'une couche d'un lit de poudres; - évaluer (504) la température de la couche du lit de poudres au voisinage de la zone inspectée ; - corriger (506) les valeurs du signal électrique représentatif de valeurs de courants de Foucault représentées par ledit signal électrique mesuré, en fonction des valeurs de température obtenues par l'évaluation de la température ; - comparer (508) les valeurs corrigées à des valeurs de référence ; et - déterminer (510, 512) en fonction du résultat de la comparaison, la présence ou non de défaut dans ladite zone inspectée. 2. Le procédé selon la revendication 1 dans lequel : l'étape (502) de mesure d'un signal électrique consiste à calculer des valeurs d'amplitude et de phase du signal reçu; et - l'étape (508) de comparaison consiste à comparer les valeurs corrigées d'amplitude et de phase à des valeurs d'amplitude et de phase de référence. 3. Le procédé selon la revendication 1 dans lequel : 23 - l'étape (502) de mesure d'un signal électrique consiste à mesurer une tension induite aux bornes d'un capteur, et à calculer une valeur d'impédance du lit de poudres au-dessous de la zone inspectée ; et 5 l'étape (508) de comparaison consiste à comparer la valeur corrigée d'impédance du lit de poudres à une valeur d'impédance de référence. 4. Le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 10 comprenant une étape initiale de calibration d'un appareil émetteur/récepteur à courants de Foucault permettant de réaliser l'étape de mesure, et dans lequel l'étape de corriger les valeurs de courants de Foucault représentées par ledit signal électrique mesuré, prend en compte des données de calibration. 15 5. Le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 dans lequel l'étape d'évaluation de la température de la couche consiste soit à faire une mesure directe de la température, soit à estimer la température par simulation dont notamment par application d'une 20 méthode des éléments finis. 6. Le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 dans lequel l'étape de correction des valeurs de courants de Foucault représentées par ledit signal électrique mesuré, consiste à corriger 25 lesdites valeurs par rapport à des abaques de référence donnant la variation de la conductivité électrique en fonction de la température pour des lits de poudre donnés. 7. Le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 dans lequel l'étape de détermination de la présence d'au moins un défaut 24 consiste à identifier des écarts de valeurs qui sont représentatifs d'hétérogénéités en surface ou d'oxydation du lit de poudres. 8. Le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 dans 5 lequel l'étape de mesure de signal électrique est faite sur une pluralité de zones du lit de poudres, à des fréquences d'excitation identiques ou différentes. 9. Le procédé selon la revendication 8 dans lequel l'étape de corriger 10 les valeurs de courants de Foucault consiste à corriger une valeur moyenne ou une variance du signal. 10. Le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 dans lequel les étapes de mesure du signal électrique et d'évaluation de 15 température sont réalisées de manière séquentielle. 11. Le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 comprenant séquentiellement une première étape d'évaluation de température, une étape de mesure du signal électrique, et une 20 deuxième étape d'évaluation de température afin de prendre en compte toute variation de température entre le début et la fin de la mesure du signal électrique. 12. Le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 dans 25 lequel les étapes de mesure du signal électrique et d'évaluation de température sont réalisées de manière simultanée. 13. Un procédé de fabrication additive sur lit de poudres comprenant des étapes de contrôle de la qualité du lit de poudres conformes 30 aux étapes du procédé de l'une quelconque des revendications 1 à 12. 25 14.Le procédé selon la revendication 13 dans lequel les étapes de contrôle de la qualité du lit de poudres sont réalisées simultanément soit lors d'une opération de mise en couche par un racleur, soit suite à une opération de fusion. 5 15. Un dispositif de contrôle de la qualité d'un lit de poudres pour un système de fabrication additive, le dispositif comprenant au moins un appareil émetteur/récepteur à courants de Foucault (112), un système d'évaluation de température (114), un système 10 d'acquisition et de pilotage (116) permettant de recueillir et analyser des données relevées par l'appareil à courants de Foucault et par le système d'évaluation de température, le dispositif de contrôle de la qualité du lit de poudres comprenant de plus des moyens pour mettre en oeuvre le procédé selon l'une quelconque des 15 revendications 1 à 12. 16.Le dispositif selon la revendication 15 dans lequel l'appareil à courants de Foucault (112) comprend au moins une bobine pour réaliser la fonction d'excitation et au moins un capteur pour réaliser 20 la fonction de réception. 17.Le dispositif selon la revendication 16 dans lequel le capteur en réception est un capteur inductif ou magnétorésistif. 25 18.Le dispositif selon l'une quelconque des revendications 15 à 17 dans lequel l'appareil à courants de Foucault opère à une ou une pluralité de fréquences d'excitation comprise dans une plage allant de 5 MHz à 500 MHz. 26 19.Le dispositif selon l'une quelconque des revendications 15 à 18 dans lequel le système d'évaluation de température est une caméra infrarouge ou un pyromètre couplé à l'appareil à courants de Foucault. 5 20. Le dispositif selon l'une quelconque des revendications 15 à 19 dans lequel l'appareil à courants de Foucault est couplé à un dispenseur de poudre du dispositif de fabrication additive. 10 21.Un système de fabrication additive comprenant un dispositif de contrôle de la qualité du lit de poudres selon l'une quelconque des revendications 15 à 20.