Brevet FR3083158A1 — publié le 20200103

DISPOSITIF ET PROCEDE DE FABRICATION DIRECTE PAR FUSION LASER DE POUDRE PROJETEE Domaine de l'invention La présente invention concerne un dispositif et un procédé de fabrication directe par fusion laser de poudre projetée. Etat de la technique Il est de plus en plus courant de réaliser des pièces par fabrication additive et c'est notamment le cas dans le domaine aéronautique. Plusieurs technologies de fabrication additive existent et dépendent 15 notamment du matériau de la pièce à réaliser, par exemple métallique ou plastique. Un procédé de fabrication directe par laser aussi appelé procédé LMD (acronyme de l'anglais Laser Metallic Deposition) est un procédé de 20 fabrication additive dérivé des procédés de cladding et de rechargement laser utilisés jusqu'alors pour le traitement de surface ou la réparation des pièces métalliques. L'idée de l'emploi de ce procédé en tant que procédé de fabrication est apparue à la fin du vingtième siècle avec notamment le développement du Laser Engineered Net Shaping (LENS®) par le 25 laboratoire national américain Sandia. Sa première utilisation industrielle fut la fabrication de composants d'armes nucléaires de très faible volume (Morville, 2012). Ce procédé repose sur l'utilisation combinée d'un laser de puissance et d'une buse de projection de poudre coaxiale ou à injection latérale (Peyre, 2014). Concrètement, la poudre, transportée par un gaz 30 porteur inerte (tel que de l'Argon, de l'Hélium, ou de l'Azote), est injectée dans le bain liquide métallique formé dans le substrat par l'interaction laser- 10 2 matière. La poudre peut alors s'échauffer, voire fondre sur son temps de vol, mais la fusion intervient surtout lors du contact avec le bain liquide métallique. Le substrat peut alors être considéré comme un creuset alimenté en poudre métallique, et les hauteurs des couches unitaires 5 formées dépendent des paramètres du procédé. Parmi les paramètres ajustables du procédé LMD, il y a la vitesse d'avance de la buse, la puissance laser et le débit massique de la poudre injectée. Si les deux premiers sont relativement robustes et répétables de par l'architecture de la machine, le débit de poudre est potentiellement plus exposé à des variations entre consigne et valeur réelle. En effet, le débit de poudre est piloté par la vitesse de rotation d'un plateau de distribution de poudre ainsi que par le débit des gaz porteurs de la poudre. Les câbles de transport de la poudre entre le réservoir et le dispositif étant longs (plusieurs mètres), il y a certainement un écart et des instabilités dans la valeur réelle de débit de poudre en sortie de la buse. Avant de pouvoir contrôler la stabilité d'un débit de poudre, il faut pouvoir le régler. L'idéal est que la valeur du débit reste dans un intervalle (stabilité) autour d'une consigne (réglage). Pour ces raisons, il est nécessaire de calibrer le débit de poudre régulièrement et de s'assurer de sa stabilité sur la durée de construction. Le tout de manière reproductible et répétable. La présente invention permet de répondre au moins en partie à ce besoin, de façon simple, efficace et économique. Exposé de l'invention L'invention concerne un dispositif de fabrication directe par fusion laser de poudre projetée, comprenant : 3 - une buse de projection d'une poudre métallique, - au moins un premier émetteur laser configuré pour émettre un premier faisceau laser à une longueur d'onde X1 prédéterminée et à une puissance prédéterminée, de façon à faire fondre ladite poudre projetée, 5 caractérisé en ce qu'il comprend en outre : - au moins un second émetteur laser configuré pour émettre un second faisceau laser à une longueur d'onde X2 à travers la poudre projetée, en sortie de ladite buse, les longueurs d'onde X-I et X2 étant différentes, - au moins un récepteur configuré pour recevoir ledit second faisceau laser, 10 après sa traversée de la poudre projetée, et - des moyens de comparaison de l'intensité lumineuse du second faisceau laser reçu par ledit récepteur et de l'intensité lumineuse du second faisceau laser émis par ledit second émetteur, et de détermination du débit de poudre projetée par la buse. 15 L'invention peut permettre de mesurer précisément le débit de poudre projetée par détection laser. Un faisceau laser, différent de celui utilisé pour la fusion de la poudre projetée, est ainsi utilisé pour mesurer le débit de cette poudre. Le faisceau laser de mesure ou second faisceau laser a en 20 particulier une longueur d'onde différente de celle du premier faisceau laser utilisé pour provoquer la fusion de la poudre. Le dispositif selon l'invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément les unes des autres, ou en 25 combinaison les unes avec les autres : - ledit second faisceau laser est orienté dans une direction sensiblement perpendiculaire à la direction dudit premier faisceau laser, - le dispositif comprend en outre un guide pour le second faisceau laser, qui est monté sur ladite buse et qui est configuré pour guider le second 30 faisceau laser depuis ledit second émetteur jusqu'audit récepteur ; ce guide a l'avantage d'être compact est donc peu encombrant, 4 - ledit guide comprend une première portion s'étendant depuis ledit second émetteur jusqu'à une sortie de poudre de la buse, et une seconde portion s'étendant depuis la sortie de poudre de la buse jusqu'audit récepteur, - la sortie de ladite buse est située dans un premier plan perpendiculaire 5 audit premier faisceau, ledit second émetteur et ledit récepteur étant situés dans un second plan qui est parallèle et à distance dudit premier plan, - ladite buse a une forme conique ou tronconique dont une extrémité de plus petit diamètre forme la sortie de poudre, lesdites première et seconde portions du guide étant positionnées de façon à définir entre eux un espace 10 de passage de la poudre projetée qui est situé au niveau de ladite extrémité de plus petit diamètre, - au moins un bloc de matériau transparent audit second faisceau est monté au niveau dudit espace pour empêcher l'introduction de poudre dans ledit guide, 15 - ladite buse comprend plusieurs cônes coaxiaux montés les uns à l'intérieur des autres et définissant entre eux un passage annulaire interne d'éjection d'un flux de gaz protecteur autour dudit premier faisceau, et un passage annulaire externe de projection de ladite poudre, - la longueur d'onde 2u1 est supérieure ou égale à 1000 nm, et 20 - la longueur d'onde 22 est inférieure ou égale à 1000 nm. La présente invention concerne également un procédé de fabrication directe par fusion laser de poudre projetée, au moyen d'un dispositif tel que décrit ci-dessus, dans lequel il comprend la fabrication d'une pièce par 25 fabrication additive sur un support et la détermination du débit de poudre projetée par la buse simultanément à la fabrication ou postérieurement à la fabrication. Avantageusement, la pièce fabriquée est une pièce d'un moteur d'aéronef. 30 Brève description des figures 5 D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui suit d'un mode de réalisation non limitatif de l'invention en référence aux dessins annexés sur lesquels : 5 - la figure 1 est une vue schématique en coupe axiale d'un mode de réalisation du dispositif selon l'invention de fabrication directe par fusion laser de poudre projetée, - la figure 2 est une vue schématique en coupe axiale d'une variante de réalisation du dispositif selon l'invention, 10 - les figures 3 à 5 sont des graphes illustrant l'évolution d'un débit mesuré de poudre projetée par une buse d'un dispositif de fabrication, en fonction d'une consigne de rotation d'un plateau rotatif de distribution de la poudre, - la figure 6 comprend des vues schématiques de côté d'une buse d'un dispositif de fabrication et illustrent la défocalisation occasionnée par une 15 perte de distance entre la buse et le support de fabrication, qui serait induite par une variation de la dimension des cordons provoquée par une instabilité du débit de poudre projetée, - les figures 7 et 8 sont des graphes illustrant l'évolution de la hauteur d'un cordon en fonction du débit de poudre projetée, 20 - la figure 9 est une vue très schématique d'une installation de mesure et d'enregistrement du débit de poudre projetée par pesée continue de cette poudre, et - la figure 10 est un graphe représentation l'évolution du débit de poudre projetée mesuré en fonction du temps au moyen de l'installation de la figure 25 9. Description détaillée d'un mode de réalisation de l'invention La figure 1 représente un dispositif 10 de fabrication directe par fusion laser 30 de poudre projetée selon un mode de réalisation de l'invention. 6 Le dispositif 10 est conçu pour réaliser une pièce par fabrication additive sur un support 12 tel qu'un plateau horizontal. Le dispositif 10 est en général mobile par rapport au support 12 et porté par exemple par un bras robotisé. Le dispositif 10 est relié à une réserve de poudre métallique et à 5 un distributeur de poudre métallique, une source de gaz inerte protecteur, et au moins une source d'énergie en particulier électrique. Le distributeur de poudre se présente en général sous la forme d'un plateau rotatif ou d'une goulotte vibrante et est associé à une source d'alimentation en gaz porteur de la poudre. 10 La poudre métallique et le support 12 peuvent être dans deux matériaux différents ou bien identiques. Le dispositif 10 comprend une buse 14 de projection de la poudre 15 métallique et au moins un premier émetteur laser 16 qui configuré pour émettre un premier faisceau laser 18 à travers la buse 14. La poudre est véhiculée par le gaz porteur et est projeté sous la forme d'un flux de poudre. 20 Le faisceau laser 18 peut être acheminé jusqu'à la buse par un chemin optique défini par une fibre optique 20 et des lentilles, par exemple de collimation 22 et de focalisation 24. Le faisceau 18 est destiné à traverser un alésage axial interne 26 de la buse 14 et à être dirigé vers le support 12 sur lequel la poudre est projetée. 25 Le faisceau laser 18 est émis à une longueur d'onde X1 prédéterminée et à une puissance prédéterminée de façon à faire fondre la poudre projetée. X1 est par exemple de l'ordre de 1064nm. Le faisceau 18 est par exemple un faisceau YAG d'une puissance de 2kW. 30 7 Dans l'exemple représenté, la buse 14 a une forme générale conique ou tronconique dont une extrémité de plus petit diamètre forme la sortie 28 de poudre. La buse 14 comprend plusieurs cônes 14a, 14b, 14c coaxiaux, ici au nombre de trois, qui sont montés les uns à l'intérieur des autres. Le cône interne 14a définit avec le cône intermédiaire 14b qui l'entoure un passage annulaire interne 30 d'éjection d'un flux de gaz protecteur autour du premier faisceau 18. Le passage 30 est donc relié à des moyens d'acheminement de gaz protecteur depuis la réserve précitée. Le cône intermédiaire 14b définit avec le cône externe 14c qui l'entoure un passage annulaire externe 32 d'éjection d'un flux de poudre. Le passage 32 est donc relié à des moyens d'acheminement de poudre depuis la réserve précitée. Ceci n'est toutefois pas limitatif. Il existe plusieurs modèles de buses, avec différents nombre de cônes, voir des jets c REVENDICATIONS1. Dispositif (10) de fabrication directe par fusion laser de poudre projetée, comprenant : - une buse (14) de projection d'une poudre métallique, - au moins un premier émetteur laser (16) configuré pour émettre un premier faisceau laser (18) à une longueur d'onde X1 prédéterminée et à une puissance prédéterminée, de façon à faire fondre ladite poudre projetée, caractérisé en ce qu'il comprend en outre : - au moins un second émetteur laser (34) configuré pour émettre un second faisceau laser (36) à une longueur d'onde X2 à travers la poudre projetée, en sortie de ladite buse, les longueurs d'onde X1 et X2 étant différentes, - au moins un récepteur (38) configuré pour recevoir ledit second faisceau laser, après sa traversée de la poudre projetée, et - des moyens (40) de comparaison de l'intensité lumineuse du second faisceau laser reçu par ledit récepteur et de l'intensité lumineuse du second faisceau laser émis par ledit second émetteur, et de détermination du débit de poudre projetée par la buse. 2. Dispositif (10) selon la revendication précédente, dans lequel ledit second faisceau laser (36) est orienté dans une direction sensiblement perpendiculaire à la direction dudit premier faisceau laser (18). 3. Dispositif (10) selon la revendication 1 ou 2 dans lequel il comprend en outre un guide (42) pour le second faisceau laser (36), qui est monté sur ladite buse et qui est configuré pour guider le second faisceau laser depuis ledit second émetteur (34) jusqu'audit récepteur (38). 4. Dispositif (10) selon la revendication précédente, dans lequel ledit guide (42) comprend une première portion (42a) s'étendant depuis ledit second émetteur jusqu'à une sortie de poudre (28) de la buse (14), et une 18 seconde portion (42b) s'étendant depuis la sortie de poudre de la buse jusqu'audit récepteur (38). 5. Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel la sortie (28) de ladite buse (14) est située dans un premier plan (P1) 5 perpendiculaire audit premier faisceau (18), ledit second émetteur (34) et ledit récepteur (38) étant situés dans un second plan (P2) qui est parallèle et à distance dudit premier plan. 6. Dispositif (10) selon la revendication 4 ou 5, dans lequel ladite buse (14) a une forme conique ou tronconique dont une extrémité de plus petit 10 diamètre forme la sortie de poudre (28), lesdites première et seconde portions (42a, 42b) du guide étant positionnées de façon à définir entre eux un espace (44) de passage de la poudre projetée qui est situé au niveau de ladite extrémité de plus petit diamètre. 7. Dispositif (10) selon la revendication 6, dans lequel au moins un bloc 15 (46) de matériau transparent audit second faisceau (36) est monté au niveau dudit espace (44) pour empêcher l'introduction de poudre dans ledit guide (42). 8. Dispositif (10) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ladite buse (14) comprend plusieurs cônes (14a, 14b, 14c) 20 coaxiaux montés les uns à l'intérieur des autres et définissant entre eux un passage annulaire interne (30) d'éjection d'un flux de gaz protecteur autour dudit premier faisceau (18), et un passage annulaire externe (32) de projection de ladite poudre. 9. Procédé de fabrication directe par fusion laser de poudre projetée, 25 au moyen d'un dispositif (10) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel il comprend la fabrication d'une pièce par fabrication additive sur un support (12) et la détermination du débit de poudre projetée par la buse (14) simultanément à la fabrication ou postérieurement à la fabrication. 30 10. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel la pièce fabriquée est une pièce d'un moteur d'aéronef.