Brevet FR3087954A1 — publié le 20200501

GUIDE D'ONDE OBTENU PAR FABRICATION ADDITIVE L'invention concerne un guide d'onde obtenu par la technique de fabrication additive. Le guide d'onde est un système physique utilisé pour guider des ondes électromagnétiques, afin de les maintenir confinées dans un milieu particulier sur une certaine distance. La plupart des recherches menées sur la réalisation de composants hyperfréquences - à géométries dites classiques ou innovantes - en fabrication additive ont montré des décalages de fréquences et une augmentation générale en termes de pertes. Lors de la fabrication de guides d'ondes par technologie additive, un état de surface dégradé peut venir perturber la trajectoire d'une onde électromagnétique. L'un des objectifs de la présente invention est de minimiser la 15 rugosité des surfaces sur lesquelles se propage le champ électrique appelées « surfaces fonctionnelles ». D'après les caractéristiques de la fabrication additive, un état de surface fonctionnelle optimal est obtenu lorsque la surface fonctionnelle forme un angle de 90° avec le plateau de fabrication et se dégrade de 20 manière cosinusoïdale jusqu'à 0, par exemple. Les composants hyperfréquences étant apparentés à des tubes creux, avec une entrée et une sortie à chaque extrémité, une fois la fabrication de la pièce terminée les supports éventuels ayant servi pendant le processus de fabrication additive se trouvent piégés à l'intérieur et demeurent impossibles à retirer. Une 25 solution pour s'affranchir de ce problème consiste à concevoir des structures autosupportées. La capacité d'autosupportage d'une structure est dépendante de l'orientation dans la chambre de fabrication. Elle peut nécessiter la présence de support pour certains angles et être autosupportée pour d'autres. De 30 manière générale, pour le procédé de fusion par faisceau laser connu sous l'expression anglo-saxonne Laser Beam Melting (LBM), il est habituel de 2 placer des supports pour des surfaces dont l'angle formé avec le plateau de fabrication est inférieur à a = 45° pour l'Aluminium. A la fin du procédé de fabrication, ces supports doivent être éliminés. Le brevet FR3048556 décrit un procédé de fabrication additive 5 dans lequel on aménage des ouvertures le long du canal de propagation afin d'alléger la structure du guide d'onde sans perturber le signal. L'objet de l'invention vise à offrir un guide d'onde présentant une rugosité minimale sur les surfaces sur lesquelles se déplace le champ électrique, et une structure autosupportée, le guide étant obtenu par 10 fabrication additive sans nécessiter l'utilisation de supports devant être éliminés en fin de fabrication. L'objet de l'invention concerne un guide d'onde obtenu par fabrication additive caractérisé en ce que la géométrie d'une section dudit guide d'onde SG est définie comme une surface formée par l'intersection d'un plan P" et de l'union de plusieurs surfaces (S), (S'), (S"), (51), (S2) et (S3) définies de la manière suivante : Soit trois plans (P), (P') perpendiculaire à (P) et (P") perpendiculaire aux plans (P') et (P"), Deux côtés du guide d'onde correspondant à deux surfaces sur lesquelles circule le courant électrique: Une première surface (Si) du guide est parallèle et distincte à un plan (P) et une deuxième surface (S') est construite symétrique de la première par rapport au plan (P), Pour les autres côtés du guide d'onde : Une troisième surface (S') passant par le plan (P) et la surface (S) et définie de telle manière que la tangente en chaque point de la surface (S') forme un angle al avec le plan (P') compris entre [-89,9 ; 89,9°11{0} degrés et une quatrième surface (S2) symétrique de la surface (S') par rapport au plan (P) avec le même angle, la surface (S') et la surface (S) se rejoignent sur une ligne de jonction, de même que la surface (S2) avec la surface (Si) sur une ligne de jonction, la surface (S2) et la surface (S') se rejoignent en une ligne, 3 Une cinquième surface (S") passe par la surface (S) et le plan (P) et une sixième surface (S3) est symétrique, ou confondue avec (S"), ladite surface rejoint la surface (S) par une ligne de jonction et la surface (SI ) par une ligne de jonction. 5 La cinquième surface (S") et la sixième surface (53) peuvent être confondues. Selon un mode de réalisation, la cinquième surface (S") du guide est formée par une sixième surface (S4) passant par le plan (P) et la surface (S) et elle est définie de telle manière que la tangente en chaque point de la 10 surface (S4) forme un angle al avec le plan (P') compris entre [-89,9 ; 89,911{0} degrés et une septième surface (S5) symétrique de la surface (S') par rapport au plan (P) avec le même angle, les deux surfaces (S4), (S5) se rejoignent sur une ligne (50) de jonction. Selon un autre mode de réalisation, le guide d'onde comporte une 15 première surface (RI) qui passe par le plan (P) et la surface (S) et qui est définie de telle manière que la tangente en chaque point de la surface (RI) forme un angle 13 avec le plan (P') compris entre [-89,9; 89,911{0} degrés et une quatrième surface (R2) symétrique de la surface (RI) par rapport au plan (P) avec le même angle, les deux surfaces (S') et (RI) se rejoignant le 20 long d'une ligne de jonction et les deux surfaces (S) et (RI) selon une ligne de jonction. Les deux surfaces (RI, R2) et les deux surfaces (R3, R4) sont chacune symétrique d'une surface (RI, R2) par rapport au plan (P'). La surface (S') passant par le plan (P) et la surface (S) ont une forme d'arc ou d'ogive. 25 Selon un mode de réalisation, le guide d'onde comporte une surface semi-circulaire et une surface en forme d'arc. La valeur de l'angle al est choisie en fonction du matériau formant le guide d'onde et de la technique de fabrication. Le matériau utilisé pour fabriquer le guide d'onde est choisi parmi 30 des alliages métalliques à base d'Aluminium, de Titane, d'Acier, de Nickel, de Chrome. 4 L'invention concerne aussi un procédé de fabrication d'un guide d'onde selon l'invention utilisant la technique de fabrication additive, caractérisé en ce que l'on définit une section du guide d'onde de la manière suivante : 5 Soit trois plans (P), (P') perpendiculaire à (P) et (P") perpendiculaire aux plans (P') et (P"), On construit deux côtés du guide d'ondes correspondant aux deux surfaces fonctionnelles de la manière suivante : Une première surface (S1) du guide est parallèle et distincte à un plan (P) et 10 une deuxième surface (S') est construite symétrique de la première par rapport au plan (P), et Pour les autres côtés du guide d'onde correspondant à des surfaces non fonctionnelles, Une troisième surface (S') du guide passe par le plan (P) et la surface (S) et 15 elle est définie de telle manière que la tangente en chaque point de la surface (S') forme un angle al avec le plan (P') compris entre [-89,9 ; 89,91\{0} degrés et une quatrième surface (S2) est construite symétrique de la surface (S') par rapport au plan (P) avec le même angle, Une cinquième surface (S") passe par la surface (S) et le plan (P) et une 20 sixième surface (S3) est symétrique, ou confondue avec (S"). D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés à titre illustratif et nullement limitatif, annexée des figures qui représentent : 25 - Figure 1, un exemple d'un guide d'onde selon l'art antérieur, - Figure 2, une représentation d'un guide d'onde selon l'art antérieur, - Figure 3, une illustration de la définition des paramètres géométriques qui seront utilisés pour la fabrication d'un guide d'onde selon l'invention, 30 - Figure 4, une vue en coupe d'une première géométrie pour la section d'un guide d'onde selon l'invention, 5 - Figure 5, une vue en coupe d'une variante de la section de la figure 3, - Figure 6 et figure 7, deux autres exemples de section de guide d'onde obtenu par l'invention, et - Figure 8, une autre variante de guide d'onde présentant une section 5 en partie circulaire. Un exemple de guide d'onde selon l'art antérieur est illustré sur la figure 1. Il est constitué par un dispositif creux 1, dont la forme et les proportions déterminent les caractéristiques de propagation pour une longueur d'onde donnée du signal électromagnétique. Les guides d'onde 10 classiques utilisés dans le domaine radiofréquence ont en général des ouvertures internes de section rectangulaire ou circulaire. Ils permettent la propagation des modes électromagnétiques correspondant à différentes distributions de champ électromagnétique le long de leur section. Le guide d'onde sur la figure 1 a une hauteur b, une largeur a et 15 une longueur L. La figure 2 illustre un guide d'onde avec une section rectangulaire fabriquée parallèlement au plateau de fabrication avec des surfaces « fonctionnelles » sur lesquelles circule le courant électrique, 20, 21, à 90 degrés. Cette structure présente l'inconvénient de ne pas être autosupportée 20 à cause des surfaces en porte-à-faux 22, 23, qui composent le parallélépipède formant le guide d'onde. L'idée de la présente invention est d'offrir une structure améliorée remplissant au moins les trois conditions suivantes : - Obtenir une structure autosupportée, sans utilisation de support pour la 25 fabrication du guide, Avoir une rugosité minimale sur les surfaces fonctionnelles sur lesquelles circule le courant électrique, et Un temps de fabrication minimal. Afin de bien faire comprendre le guide d'onde G obtenu par la 30 mise en oeuvre de l'invention, la figure 3 illustre les paramètres géométriques 6 qui permettent de définir de manière générique un guide d'onde selon l'invention. Des exemples seront ensuite donnés pour des guides d'onde de sections présentant différentes géométries. 5 En utilisant la technique de fabrication additive, par exemple la technologie de LBM, un utilisateur va programmer différentes formes, géométries pour obtenir une section de guide d'onde avec une géométrie souhaitée. La machine sur la base de ces informations contenues dans un fichier produira le « design » (géométrie et dimensions) demandé. Les 10 étapes de la technologie de LBM ne seront pas détaillées car elles sont connues de l'homme du métier. Les paramètres et les données informatiques stockés sur un support informatique définissant un modèle selon l'invention seront transmis à la machine. Pour définir la géométrie de la section du guide d'onde, le procédé 15 fait appel à des notions mathématiques qui permettent ensuite de définir un guide d'onde : - Soit un plan (P), - Soit un plan (P') perpendiculaire au plan (P), - Soit un plan (P") perpendiculaire aux plans (P) et (P'). 20 Le guide d'onde selon l'invention est construit de la manière suivante : Deux côtés du guide d'onde correspondant aux deux surfaces sur lesquelles se déplace le champ électrique, en mode de fonctionnement normal, sont construits de la manière suivante : 25 Une première surface (Si) du guide est parallèle et distincte au plan (P) et une deuxième surface (S') est construite symétrique de la première par rapport au plan (P), Pour les autres côtés du guide d'onde : Une troisième surface (S') du guide passe par le plan (P) et la surface (S) et 30 elle est définie de telle manière que la tangente en chaque point de la 7 surface (S') forme un angle al avec le plan (P') compris entre [-89,9 ; 89,911{0} degrés et une quatrième surface (S2) est construite symétrique de la surface (S') par rapport au plan (P) avec le même angle, Une cinquième surface (S") passe par la surface (S) et le plan (P) et une 5 sixième surface (S3) est symétrique, ou confondue avec (S"). Cette dernière surface peut correspondre avec le plan de fabrication du guide d'onde. La géométrie de la section du guide d'onde finalement obtenue est la surface fermée SG formée par l'intersection du plan (P") et de l'union des surfaces (S), (S'), (S"), (S1), (S2) et (S3). 10 La géométrique de la section de guide d'onde correspond à un modèle numérique (par exemple fichier .stl) qui va être transmis à un logiciel de tranchage. A l'issue du tranchage, le fichier est envoyé à une machine de fabrication additive et les paramètres machines (par exemple puissance du laser, trajectoire du laser, vitesse du laser) sont sélectionnés en fonction des 15 caractéristiques de la machine de fabrication utilisée selon des étapes connues de l'homme du métier. Finalement, la machine va pouvoir fabriquer le guide d'onde en procédant par ajout de matière par couches successives. La figure 4 illustre un premier exemple de guide d'onde présentant une section quasi rectangulaire construit selon le principe donné à la figure 3. 20 La section SG du guide d'onde SG est formée par l'intersection du plan (P") et de l'union des surfaces (S), (S'), (S"), (51), (S2) et (S3): - une première surface (S) parallèle et distincte au plan (P) et une deuxième surface (51) symétrique de la première par rapport au plan (P), 25 - une troisième surface (S') passant par le plan (P) et la surface (S) et définie de telle manière que la tangente en chaque point de la surface (S') forme un angle al avec le plan (P') compris entre [-89,9 ; 89,911{0} degrés et une quatrième surface (S2) symétrique de la surface (S') par rapport au plan (P) avec le même angle, la surface 30 (S') et la surface (S) se rejoignent sur une ligne de jonction 41a, de même que la surface (52) avec la surface (S1) sur une ligne de 8 jonction 41b, la surface (S2) et la surface (S') se rejoignent en une ligne 40, - une cinquième surface (S") passant par la surface (S) et le plan (P), cette surface rejoint la surface (S) par une ligne de jonction 42a et la 5 surface (S1) par une ligne de jonction 42b. La section de guide d'onde ainsi obtenue présente une forme similaire à celle d'une maison. L'angle a est défini plus généralement comme l'angle entre la surface inclinée d'une surface en porte-à-faux et le plateau de fabrication. 10 La valeur de l'angle a est choisie, notamment, en fonction de plusieurs paramètres : - Du matériau utilisé pour fabriquer le guide d'onde, de l'aluminium, du titane, etc. - De la technologie mise en oeuvre par la machine, de la puissance du 15 laser, etc. L'idée est de choisir une valeur d'angle et une technologie adaptée afin que la structure du guide d'onde soit autosupportée et qu'elle présente une rugosité optimale sur les surfaces fonctionnelles. La valeur d'angle peut varier entre 1 et 89°. 20 La figure 5 illustre une variante de réalisation d'un guide d'onde de la figure 4, dans lequel la cinquième surface correspondant à la surface (S3) de la figure 4 est formée par : - une sixième surface (S4) passant par le plan (P) et la surface (S), et de telle manière que la tangente en chaque point de la surface (S4) 25 forme un angle al avec le plan (P') compris entre E-89,9 ; 89,9°11{0} degrés, et - une septième surface (S5) symétrique de la surface (S') par rapport au plan (P) avec le même angle, les deux surfaces (S4), (S5) se rejoignent sur une ligne de jonction 50. Dans cette variante, le guide 30 d'onde présente une symétrie. 9 La figure 6 représente une variante de réalisation de la section d'onde schématisée à la figure 4. Afin d'élargir la bande de fréquence, il est connu d'utiliser des « ridges ». Un ridge est réalisé en utilisant un guide d'onde rectangulaire en ajoutant des « crêtes » conductrices le long du 5 centre des surfaces supérieures du guide d'onde. Ces crêtes ont notamment pour fonction d'abaisser la fréquence de coupure du mode dominant et d'augmenter la fréquence de coupure des modes d'ordre supérieur suivants. Ceci se traduit par une bande passante plus élevée. Dans l'exemple de la figure 6, on a représenté en trait plein une 10 première variante de réalisation d'un guide d'onde possédant deux surfaces appelées ridges (R1, R2) et en pointillés deux surfaces ou ridges supplémentaires (R3, R4) positionnés dans la partie inférieure du guide d'onde et symétriques des deux premiers ridges par rapport au plan (P'). En partant du guide d'onde de la figure 4, le guide d'onde 15 comprend une première surface (R1) qui passe par le plan (P) et la surface (S) et définie de telle manière que la tangente en chaque point de la surface (R1) forme un angle R avec le plan (P') compris entre [-89,9 ; 89,9'1{0} degrés et une quatrième surface (R2) symétrique de la surface (R1) par rapport au plan (P) avec le même angle. Les deux surfaces (S') et (R1) se 20 rejoignent le long d'une ligne de jonction 60 et les deux surfaces (S) et (R1) selon une ligne de jonction 61. Sans sortir du cadre de l'invention, une possibilité représentée en pointillés sur la figure consiste à ajouter les ridges de manière symétrique. La section du guide d'onde étant alors formée par l'intersection du plan (P") et 25 de l'union des surfaces (S), (S'), (S"), (S1), (S2) et (S3) et des quatre surfaces (R1), (R2), (R3), (R4), correspondant aux quatre ridges. Les surfaces (R1) et (R2) sont symétriques des surfaces (R3) et (R4) par rapport au plan (P'). La figure 7 illustre une variante de réalisation où les deux surfaces 30 (S') passant par le plan (P) et la surface (S) présentent une forme d'arc ou 10 d'ogive, les deux demi-arcs 70, 71 se rejoignent au niveau d'une ligne de jonction 72. La figure 8 illustre un guide d'onde obtenu par le procédé selon l'invention, qui présente une section de guide d'onde circulaire sur une partie 5 de la section et une partie en ogive comme représenté à la figure 7. La section en forme d'arc comporte deux demi-arcs 70, 71 qui rejoignent la partie circulaire 80 en une ligne de jonction respectivement 83, 84. Les matériaux pour la fabrication des guides d'onde par la technologie de fabrication additive seront choisis parmi des alliages métalliques à base d'Aluminium, de Titane, d'Acier, de Nickel, de Chrome etc. Le procédé de fabrication « additive » utilisé pour la fabrication de guide d'onde selon l'invention peut être choisi parmi les différents procédés de fabrication additive métallique connus de l'homme du métier. 15 Par exemple, l'expression « fabrication additive » décrit tout procédé de fabrication de pièces par ajout de matière, selon des données informatiques stockées sur un support informatique et définissant un modèle de la pièce. Les méthodes de fabrication peuvent être, de la stéréolithographie, des méthodes de fabrication par durcissement ou 20 coagulation de liquide, de poudre notamment, des méthodes basées sur des jets d'encres, par aérosols, etc. Le guide d'onde selon l'invention peut être utilisé dans le domaine hyperfréquence, par exemple dans la gamme [3GHz-300GHz]. Le procédé et les sections de guides d'onde obtenues par la mise 25 en oeuvre du procédé selon l'invention présentent notamment l'avantage de minimiser au moins les trois paramètres suivants : absence de support, REVENDICATIONS1 - Guide d'onde obtenu par fabrication additive caractérisé en ce que la géométrie d'une section dudit guide d'onde Sc est définie comme une surface formée par l'intersection d'un plan P" et de l'union de plusieurs surfaces (S), (S'), (S"), (S1), (S2) et (S3) définies de la manière suivante : Soit trois plans (P), (P') perpendiculaire à (P) et (P") perpendiculaire aux plans (P') et (P"), Deux côtés du guide d'onde correspondant à deux surfaces sur lesquelles circule le courant: Une première surface (S1) du guide est parallèle et distincte à un plan (P) et une deuxième surface (S') est construite symétrique de la première par rapport au plan (P), Pour les autres côtés du guide d'onde : Une troisième surface (S') passant par le plan (P) et la surface (S) et définie de telle manière que la tangente en chaque point de la surface (S') forme un angle al avec le plan (P') compris entre [-89,9 ; 89,911(0) degrés et une quatrième surface (S2) symétrique de la surface (S') par rapport au plan (P) avec le même angle, la surface (S') et la surface (S) se rejoignent sur une ligne de jonction (41a), de même que la surface (S2) avec la surface (S1) sur une ligne de jonction (41b), la surface (S2) et la surface (S') se rejoignent en une ligne (40), Une cinquième surface (S") passe par la surface (S) et le plan (P) et une sixième surface (S3) est symétrique, ou confondue avec (S"), ladite surface rejoint la surface (S) par une ligne de jonction (42a) et la surface (S1) par une ligne de jonction (42b). 2 - Guide d'onde selon la revendication 1 caractérisé en ce que la cinquième surface (S") et la sixième surface (S3) sont confondues. 12 3 - Guide d'onde selon la revendication 1 caractérisé en ce que la cinquième surface (S") est formée par une sixième surface (S4) passant par le plan (P) et la surface (S) et définie de telle manière que la tangente en chaque point de la surface (S4) forme un angle al avec le plan (P') compris entre [-89,9 ; 5 89,911{0} degrés et une septième surface (S5) symétrique de la surface (S') par rapport au plan (P) avec le même angle, les deux surfaces (S4), (S5) se rejoignent sur une ligne (50) de jonction. 4 - Guide d'onde selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte au 10 moins une première surface (R1) qui passe par le plan (P) et la surface (S) et qui est définie de telle manière que la tangente en chaque point de la surface (R1) forme un angle is avec le plan (P') compris entre [-89,9; 89,91\{0} degrés et une quatrième surface (R2) symétrique de la surface (R1) par rapport au plan (P) avec le même angle, les deux surfaces (S') et (R1) se 15 rejoignant le long d'une ligne de jonction (60) et les deux surfaces (S) et (R1) selon une ligne de jonction (61). 5 - Guide d'onde selon la revendication 4 caractérisé en ce qu'il comporte deux surfaces (R1, R2) et deux surfaces (R3, R4) chacune étant symétrique 20 d'une surface (R1, R2) par rapport au plan (P'). 6 - Guide d'onde selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que la surface (S') passant par le plan (P) et la surface (S) ont une forme d'arc (70, 71) ou d'ogive. 25 7 - Guide d'onde selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce qu'il comporte une surface (80) semi-circulaire et une surface en forme d'arc. 8 - Guide d'onde selon l'une des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que 30 la valeur de l'angle al est choisie en fonction du matériau formant le guide d'onde et de la technique de fabrication. 13 9 - Guide d'onde selon l'une des revendications 1 à 8 caractérisé en ce que le matériau le constituant est choisi parmi des alliages métalliques à base d'Aluminium, de Titane, d'Acier, de Nickel, de Chrome. 5 10 - Procédé de fabrication d'un guide d'onde selon l'une des revendications 1 à 9 utilisant la technique de fabrication additive, caractérisé en ce que l'on définit une section du guide d'onde de la manière suivante : Soit trois plans (P), (P') perpendiculaire à (P) et (P") perpendiculaire aux plans (P') et (P"), 10 On construit deux côtés du guide d'onde correspondant aux deux surfaces fonctionnelles de la manière suivante : Une première surface (S1) du guide est parallèle et distincte à un plan (P) et une deuxième surface (S') est construite symétrique de la première par rapport au plan (P), et 15 Pour les autres côtés du guide d'onde correspondant à des surfaces non fonctionnelles, Une troisième surface (S') du guide passe par le plan (P) et la surface (S) et elle est définie de telle manière que la tangente en chaque point de la surface (S') forme un angle al avec le plan (P') compris entre [-89,9 ; 20 89,9°]\{0} degrés et une quatrième surface (S2) est construite symétrique de la surface (S') par rapport au plan (P) avec le même angle, Une cinquième surface (S") passe par la surface (S) et le plan (P) et une sixième surface (S3) est symétrique, ou confondue avec (S"). 25