Brevet FR3090459A1 — publié le 20200626

Description Titre de l'invention : Machine améliorée de fabrication additive d'une pièce et procédé associé Domaine technique [0001] L'invention concerne les machines et les procédés pour la fabrication additive de pièces par fusion sélective ou frittage sélectif sur lit de poudre à l'aide d'un faisceau énergétique de haute énergie, comme notamment un faisceau laser ou un faisceau d'électrons. [0002] L'invention se rapporte plus particulièrement à une machine de fabrication additive améliorée et à un procédé de fabrication additive utilisant ladite machine. Technique antérieure [0003] De manière connue, on utilise généralement une machine telle qu'illustrée dans la figure 1 pour fabriquer une pièce par un procédé de fusion sélective ou frittage sélectif d'une poudre. [0004] La machine 1 comporte trois bacs disposés alignés et adjacents. Tout d'abord, on a un bac d'alimentation 2, qui est destiné à stocker la poudre 5 qui va être utilisée pour fabriquer la pièce 9 ; puis on a un bac de fabrication 3, dans lequel la pièce va être réalisée ; et enfin, on a un bac de récupération 4, destiné à récupérer de la poudre en excédent. Le fond de chacun de ces bacs est formé par un plateau mobile qui est déplaçable en translation verticale, par exemple à l'aide d'un piston 6 ; on a donc un plateau d'alimentation 12, un plateau de fabrication 13 et un plateau de récupération 14. [0005] La machine comporte également un dispositif d'étalement 7 de la poudre, ty- piquement une raclette ou un rouleau, permettant d'amener de la poudre du bac d'alimentation 2 vers le bac de fabrication 3 et jusqu'au bac de récupération 4, par déplacement dans un plan horizontal A (ci-après « plan de déplacement ») parallèle au plateau de fabrication 13. La machine comporte aussi un dispositif de chauffage sélectif 8, qui comporte ici des moyens de génération 11 d'un faisceau énergétique 15, couplés à un dispositif 16 (par exemple un ou plusieurs miroirs) commandé par ordinateur pour orienter et déplacer le faisceau sur la couche de poudre disposée sur le plateau de fabrication 13. [0006] Avant de commencer la fabrication, les trois plateaux sont situés en dessous du plan horizontal A, la distance entre le plateau de fabrication et le plan horizontal A étant l'épaisseur de la future couche de poudre à déposer sur le plateau de fabrication. [0007] Pour réaliser une pièce, le plateau d'alimentation est déplacé vers le haut afin qu'une quantité de poudre soit située au-dessus du plan de déplacement A. Le dispositif 2 d'étalement est ici déplacé de la droite vers la gauche, de manière à amener cette quantité de poudre dans le bac de fabrication et ainsi déposer une couche mince de poudre sur la surface plane horizontale du plateau de fabrication. Bien sûr, la quantité de poudre et la position du plateau de fabrication sont déterminées au préalable de façon à former une couche de poudre d'une épaisseur choisie et constante. Il est de pratique courante de prévoir, pour chaque couche de poudre déposée sur le plateau de fabrication, une quantité de poudre en excès qui va se retrouver dans le bac de récupération ; cela permet de s'assurer que l'ensemble du plateau de fabrication soit bien recouvert par la couche de poudre. [0008] Une fois cette première couche de poudre déposée sur le plateau de fabrication, on dirige et on déplace sur la surface supérieure de cette couche de poudre le faisceau énergétique 15, de manière à chauffer la couche supérieure de la poudre selon un motif précis et ainsi provoquer une fusion locale ou un frittage local de la poudre, la portion de poudre ainsi chauffée formant, en se solidifiant, une première section de la pièce à réaliser. [0009] Après formation de cette première section de la pièce, le plateau de fabrication est abaissé et est recouvert d'une seconde couche de poudre amenée par le dispositif d'étalement. De la même manière que précédemment, une seconde section de la pièce est formée à l'aide du faisceau énergétique. [0010] Ces opérations sont répétées jusqu'à fabrication complète de la pièce section par section. [0011] La poudre utilisée pour réaliser la fabrication additive sur lit de poudre et qui est stockée dans le bac d'alimentation comporte idéalement des particules sphériques de tailles homogènes. Cependant, elle peut parfois contenir des particules non désirables (particules de tailles trop importantes, agrégation de particules, particules de poudre avec satellites, etc.). Ces particules indésirables peuvent être transportées sur le plateau de fabrication et provoquer des hétérogénéités importantes dans le matériau fusionné. [0012] Par ailleurs, lors de la fabrication, certaines particules indésirables peuvent apparaitre sur le plateau de fabrication ; il peut par exemple s'agir de particules de poudre fusionnées ou frittées, mais non solidaires de la pièce. [0013] 11 est donc souhaitable d'améliorer la qualité de la poudre utilisée pour réaliser la pièce. [0014] D'autre part, il est actuellement nécessaire de sur-dimensionner la quantité de poudre nécessaire à la fabrication d'une pièce en prenant en compte les pertes générées par la poudre restant dans le bac de récupération. Or, la poudre restant dans le bac de récupération est perdue, car il n'est pas possible de la réutiliser en la mélangeant à un autre lot de poudre, par exemple, ou en stoppant la machine et en intervertissant le bac de récupération et d'alimentation. Pour intervertir les bacs, il est en effet nécessaire de 3 stopper et d'ouvrir la machine, ce qui est préjudiciable à la qualité de la pièce. 11 serait donc souhaitable d'optimiser l'utilisation de la poudre afin de diminuer les pertes de poudre. Exposé de l'invention [0015] Pour remédier à tout ou partie des inconvénients soulevés ci-dessus, l'invention a pour objet une machine pour la fabrication d'une pièce par un procédé de fusion sélective ou frittage sélectif sur lit de poudre, comprenant : - trois bacs, disposés alignés et adjacents, et ayant chacun un fond formé par un plateau mobile en translation verticale, dont : un bac (l'alimentation apte à stocker la poudre destinée à être utilisée pour fabriquer la pièce ; " un hac de fabrication, dans lequel la pièce est destinée à âtre fabriquée ; et un hac de récupération apte à récupérer un excédent de poudre ; le bac de fabrication étant situé entre le bac d'alimentation et le bac de récupération ; - un dispositif d'étalement d'une couche de poudre sur le plateau de fabrication, ledit dispositif d'étalement étant apte à déposer une couche de poudre sur le plateau de fabrication en amenant de la poudre du bac d'alimentation vers le bac de fabrication jusqu'au bac de récupération, par déplacement dans un plan de déplacement qui est parallèle au plateau de fabrication ; - un dispositif de chauffage destiné à faire fondre ou à fritter au moins une partie d'une couche de poudre déposée sur le plateau de fabrication. [0016] La machine est caractérisée en ce qu'elle comprend en outre au moins un tamis mobile entre une position active, dans laquelle le tamis est situé en regard du plateau d'un hac choisi parmi le hac d'alimentation et le hac de récupération et en dessous du plan de déplacement du dispositif d'étalement, et une position non active, dans laquelle le tamis est situé au-dessus du plan de déplacement du dispositif d'étalement et/ou en retrait par rapport audit plateau, le tamis étant apte à retenir des particules lorsqu'il est en position active. [0017] Bien sûr, les mailles du tamis sont choisies en fonction de la poudre à utiliser, de façon à ce que le tamis puisse filtrer la poudre et retenir des particules ayant un diamètre trop gros. [0018] La poudre utilisée peut être en métal, alliage métallique, céramique ou en plastique. [0019] Selon une première variante, la machine comprend un tamis mobile déplaçable entre sa position active et sa position inactive, sa position active étant au-dessus du bac de récupération. [0020] Selon une deuxième variante, la machine comprend un tamis mobile déplaçable entre sa position active et sa position inactive, sa position active étant au-dessus du bac d'alimentation. [0021] Selon une troisième variante préférée, la machine comprend un premier tamis mobile déplaçable entre sa position active et sa position inactive, sa position active étant au-dessus du plateau de récupération, et un deuxième tamis mobile déplaçable entre sa position active et sa position inactive, sa position active étant au-dessus du plateau d'alimentation. [0022] L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'une pièce par fusion sélective ou frittage sélectif d'une poudre mettant en oeuvre la machine telle que décrite ci-dessus. Le procédé comprend les étapes successives suivantes : a) le dépôt d'une couche de poudre sur le plateau de fabrication au moyen du dispositif d'étalement ; h) le chauffage sélectif d'au moins une partie de la couche de poudre au moyen du dispositif de chauffage, de manière à obtenir la fusion sélective ou le frittage sélectif de ladite partie de la couche de poudre ; les étapes a) et h) étant répétées jusqu'à la fabrication complète de la pièce. [0023] Le procédé est caractérisé en ce qu'il comprend en outre, pendant au moins l'une des étapes de dépôt, de préférence pendant toutes les étapes de dépôt, un maintien d'un tamis en position active au-dessus du plateau de récupération. [0024] Avantageusement, le procédé comprend en outre, pendant au moins l'une des étapes de chauffage sélectif, de préférence pendant toutes les étapes de chauffage sélectif, un maintien d'un tamis en position active au-dessus du plateau de récupération. Ledit tamis peut par exemple être mis en place avant la première étape de dépôt et être maintenu en place jusqu'à la réalisation de la dernière étape b). [0025] Avantageusement, le procédé comprend en outre, pendant au moins l'une des étapes de chauffage sélectif, de préférence pendant toutes les étapes de chauffage sélectif, un maintien d'un tamis en position active au-dessus du plateau d'alimentation et un placement dudit tamis en position non active à l'issue de ladite étape de chauffage sélectif. Par exemple, un tamis est disposé en position active au-dessus du plateau d'alimentation après la première étape de dépôt et avant la première étape de chauffage sélectif, est maintenu dans cette position active pendant cette première étape de chauffage sélectif et est disposé en position non active en retrait du bac d'alimentation avant de commencer la deuxième étape de dépôt. [0026] De préférence, n étapes a) et b) étant nécessaires pour la fabrication complète de la pièce, n étant un nombre entier supérieur ou égal à 2, et m étapes a) et b) ayant été réalisées, m étant un nombre entier supérieur ou égal à 1, et le bac de récupération contenant une quantité non nulle de poudre, on effectue, entre la mime étape b) et la (m+i)inne étape a), les opérations suivantes : - placer le tamis du bac de récupération en position non active ; - tasser la poudre contenue dans le bac de récupération ; - placer un tamis en position active au-dessus du bac d'alimentation ; - intervertir les fonctions du bac d'alimentation et du bac de récupération. [0027] On réalise de préférence ces opérations lorsque le bac d'alimentation est presque vide. Après avoir tassé la poudre et interverti les fonctions des deux bacs, on peut reprendre les étapes de dépôt et de chauffage sélectif. [0028] De préférence, le procédé comprend une étape préalable, effectuée avant la première étape a), qui comprend les opérations successives suivantes : - placer un tamis en position active au-dessus du plateau d'alimentation ; - remplir le bac d'alimentation avec la poudre, au moins une partie des particules de la poudre passant au travers dudit tamis ; - placer ledit tamis en position non active. Brève description des dessins [0029] L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description faite à titre d'exemple non limitatif en référence aux dessins annexés, qui illustrent : [0030] [fig.1] , une vue schématique d'une machine dc fusion sélective de poudre selon l'art antérieur ; [0031] [fig.2] , une vue schématique d'une machine dc fusion sélective de poudre selon un mode de réalisation préféré de l'invention, ladite machine ayant deux tamis intégrés ; [0032] [fig.3] , un schéma explicatif d'une étape d'un procédé de fabrication selon l'invention utilisant la machine telle qu'illustrée dans la figure 2 ; [0033] [fig.4] , un schéma explicatif d'une étape d'un procédé de fabrication selon l'invention utilisant la machine telle qu'illustrée dans la figure 2 ; [0034] [fig.5] , un schéma explicatif d'une étape d'un procédé de fabrication selon l'invention utilisant la machine telle qu'illustrée dans la figure 2 ; [0035] [fig.6] , un schéma explicatif d'une étape d'un procédé de fabrication selon l'invention utilisant la machine telle qu'illustrée dans la figure 2. [0036] EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS [0037] Conformément à l'invention, on intègre un, et de préférence deux, tamis dans une machine de fabrication additive sur lit de poudre, comme par exemple celle illustrée 6 dans la figure 1. [0038] Le ou les tamis 17 sont mobiles par rapport à un bac déterminé. Chaque tamis peut être mobile en translation verticale et/ou horizontale, ou bien encore être mobile selon un axe de rotation vertical. Chaque tamis peut être déplacé d'une position non active à une position active et inversement. Lorsqu'un tamis est dans sa position non active, il est situé en dehors de la trajectoire du dispositif d'étalement 7.11 peut donc être situé en regard du plateau auquel il est associé, mais situé au-dessus du plan de déplacement A du dispositif d'étalement ; il peut être en retrait dudit plateau ; il peut être à la fois situé au-dessus du plan de déplacement A et en retrait du plateau. On précise que lorsqu'un tamis est en retrait par rapport à un plateau, cela signifie qu'il n'est pas situé au-dessus de ce plateau. Le déplacement d'un tamis de la position active à la position non active peut par exemple consister en un premier déplacement vertical vers le haut (afin de se placer au-dessus du plan de déplacement A) et d'un second déplacement horizontal (afin de se placer sur le côté du bac). [0039] Selon un mode de réalisation préféré illustré dans la figure 2, la machine 10 comporte deux tamis 17. Par souci de simplification, le dispositif de chauffage sélectif 8 n'a pas été représenté dans la figure 2. Chacun des deux tamis est associé à un seul des deux bacs d'alimentation et de récupération, un tamis 17 étant associé au bac d'alimentation 2 et un tamis 17 étant associé au bac de récupération 4. Les deux tamis 17 sont intégrés à la machine et permettent de tamiser la poudre 5 et de la filtrer directement à l'intérieur de la machine. Dans la figure 2, le tamis 17 associé au bac de récupération est représenté dans sa position active (au-dessus du bac de récupération), tandis que le tamis 17 associé au bac d'alimentation est représenté dans sa position non active (ici, à côté du bac d'alimentation, en dehors du trajet de déplacement du dispositif d'étalement 7). [0040] De préférence, un tamis 17 est disposé au-dessus du bac de récupération 4 pendant l'étape de dépôt d'une couche de poudre sur le plateau de fabrication 13. Cela permet de filtrer la poudre en excédent qui tombe dans le bac de récupération. [0041] De préférence, un tamis 17 est disposé au-dessus du bac de récupération 4 pendant l'étape de chauffage sélectif. Cela permet d'éviter que d'éventuelles particules non désirables, créées au cours de cette étape, ne soient projetées dans le bac de récupération. [0042] Le tamis peut par exemple être maintenu au-dessus du bac de récupération pendant toutes les étapes de dépôt et de chauffage sélectif, le tamis étant déplacé dans une position non active en retrait du bac de récupération à l'issue de ces étapes, afin de le vider des éventuelles particules non désirables. [0043] 11 est également possible de disposer un tamis 17 au-dessus du bac d'alimentation 2 pendant l'étape de chauffage sélectif. On prendra alors soin de placer le tamis en position non active avant de démarrer l'étape de dépôt suivante. 7 [0044] Il est également possible de disposer un tamis 17 au-dessus du bac d'alimentation 2 lorsqu'on procède au remplissage initial du bac d'alimentation avec une poudre. Cela permet de filtrer la poudre et d'éviter que des particules ayant un trop gros diamètre ne se retrouvent dans le bac d'alimentation. [0045] La poudre peut être métallique (métal ou alliage), céramique ou polymère. [0046] Pour illustrer un mode de réalisation préféré de l'invention, nous avons représenté dans les figures 3 à 6 certaines des étapes décrites ci-dessous, qui expliquent le fonctionnement de la machine 10 illustrée dans la figure 2. Par souci de simplification, le dispositif de chauffage 8 n'a pas été représenté. En outre, le dispositif d'étalement 7 est ici un racleur, représenté par un triangle, et des particules non désirables retenues par les tamis sont désignées par la référence 18. [0047] Étape 0 (facultative) : un tamis 17 est positionné au-dessus du bac d'alimentation 2 dans sa position active ; de la poudre 5, qui a préalablement était stockée dans un réservoir pendant une durée plus ou moins longue, est versée dans le bac d'alimentation en passant au travers de ce tamis. Le tamis retient les particules ayant un diamètre supérieur aux mailles du tamis (retenant ainsi des particules avec satellites, des agrégats, etc.). Cette étape 0 permet de réaliser un tamisage de la poudre juste avant de commencer la fabrication d'une pièce ; cela permet de supprimer l'étape de tamisage de la poudre, habituellement réalisée en dehors de la machine, avant son introduction dans la machine, à plus ou moins longue échéance avant le début de la fabrication. Une fois le remplissage terminé, le tamis 17 est alors positionné à l'écart du bac d'alimentation dans sa position non active. [0048] Étape 1 (figure 3) : on prépare un lit de poudre sur le plateau de fabrication 13 ; pour cela, le plateau d'alimentation 12 est monté pour permettre au dispositif d'étalement 7 de déposer une quantité de poudre sur le plateau de fabrication, qui a été préalablement descendu par rapport au plan horizontal A. Un tamis 17 a été positionné au-dessus du bac de récupération 4. [0049] Étape 2 (figure 4) : le dispositif d'étalement 7 continue sa course jusqu'au-dessus du bac de récupération 4 ; l'excédent de poudre est récupéré dans le bac de récupération 4 et passe au travers du tamis 17 situé au-dessus du bac de récupération ; les particules de trop gros diamètres sont donc retenues par le tamis. [0050] Étape 3 (figure 5) : le tamis 17 situé au-dessus du bac de récupération 4 est maintenu en position ; il est également possible de placer un tamis 17 au-dessus du bac d'alimentation 2, par exemple en abaissant au préalable le plateau d'alimentation afin que le niveau de poudre permette le placement dudit tamis ; on procède à la fusion sélective ou au frittage sélectif de la couche de poudre déposée sur le plateau de fabrication à l'aide du faisceau énergétique ; les deux tamis permettent de récupérer d'éventuelles projections créées au cours de la fusion ou du frittage ; si un tamis a été 8 placé au-dessus du bac d'alimentation, celui-ci est placé à l'écart en position non active avant de répéter l'étape 1 ; [0051] Étape 4 : les étapes 1, 2 et 3 sont répétées jusqu'à ce que le bac d'alimentation soit quasiment vide (i.c. ne contienne pas une quantité de poudre suffisante pour déposer un couche homogène sur le plateau de fabrication). À ce stade, toute la poudre récupérée qui se trouve dans le bac de récupération 4 a été tamisée et les particules indésirables (c'est-à-dire ayant un diamètre supérieur aux mailles du tamis) se trouvent sur le tamis 17 situé au-dessus du bac de récupération. Ce tamis peut être retiré afin d'éliminer les pollutions récoltées (particules non désirables 18) et est placé dans sa position non active. [0052] Étape 5 : la poudre récupérée dans le bac de récupération 4 n'est pas tassée. On procède donc au tassement de la poudre, par exemple en faisant vibrer le bac de récupération. Une fois tassée, le bac d'alimentation 2 et le bac de récupération 4 intervertissent leurs fonctions, le bac d'alimentation devenant le bac de récupération et inversement. On peut alors retourner à l'étape 1. [0053] Le cycle de production (étapes 1 à 5) peut être répété jusqu'à la fabrication complète de la pièce 9 (comme représenté dans la figure 6) et/ou jusqu'à épuisement total de la poudre. [0054] Dans les figures 1 à 6, des flèches verticales symbolisent le sens de déplacement des plateaux ; dans les figures 4, 5, 6, ces flèches sont représentées entre parenthèses pour indiquer un déplacement qui aura lieu après (figures 4 et 5), ou qui aura eu lieu avant (figure 6), l'étape représentée dans la figure en question. [0055] Grâce à la présence de ces tamis et en intervertissant les fonctions des bacs d'alimentation et de récupération, il est possible, après l'étape 5, de retourner à l'étape 1 tout en conservant les précédentes couches de poudre sur le plateau de fabrication 13, ce qui n'aurait pas été possible dans la machine selon l'art antérieur. En effet, un retour à l'étape 1 aurait nécessité une ouverture de la machine afin de recharger le bac d'alimentation. Or une telle ouverture a un impact sur la température de la pièce, qui va se déformer légèrement et ne permettra donc pas de conserver une continuité géométrique pour la suite de la fabrication. [0056] Ainsi, grâce à la présence d'un tamis au-dessus du bac de récupération et de l'éventuelle présence, par intermittence, d'un tamis au-dessus du bac d'alimentation, la qualité de la poudre utilisée pour la fabrication est meilleure. Cela permet en outre d'enchainer des cycles de production sans avoir à ouvrir la machine de fabrication. [0057] Par ailleurs, la quantité de poudre utilisée est optimisée, car le but est de réduire au maximum la quantité de poudre restante dans les deux bacs (d'alimentation et de récupération) en fin de fabrication. 9 [Revendication 1] [Revendication 2] [Revendication 3] [Revendication 4]