Brevet FR3119106A1 — publié le 20220729

L’invention concerne un procédé de fabrication additive couche par couche d’une pièce dont au moins une partie forme un filtre métallique, par fusion sélective d’une poudre métallique (1) par balayage de la surface de chaque couche de poudre (1) à l’aide d’un faisceau laser (11), la poudre métallique (1) étant une poudre en un alliage à base de nickel et/ou de cobalt, la couche comportant une épaisseur comprise entre 30 et 65 microns, la puissance du laser (11) étant comprise entre 300 et 370 Watts, la vitesse d’avance du laser (11) par rapport à la couche étant comprise entre 1500 et 5000 mm/s, la poudre fusionnée et solidifiée formant un motif définissant la structure du filtre, ladite structure étant poreuse et présentant des pores ouverts. Figure à publier avec l’abrégé : Figure numéro 1 Procédé de fabrication additive couche par couche d’une pièce Domaine technique de l’invention L’invention concerne un procédé de fabrication additive couche par couche d’une pièce dont au moins une partie forme un filtre métallique, en particulier un filtre métallique destiné au domaine aéronautique. Etat de la technique antérieure De nombreux types d’industrie (pharmaceutique, chimique, aéronautique) utilisent des filtres métalliques formés par pressage et frittage de poudre métallique. Ces filtres permettent de retenir des particules solides contenues dans un flux de gaz ou de liquide, et de séparer partiellement des phases liquides, solides ou gazeuses de poids moléculaires différents en fonction de la taille des pores du filtre. De tels filtres offrent une bonne résistance à la corrosion, une bonne résistance mécanique, une bonne résistance aux températures faibles ou élevées et une grande facilité de nettoyage et de décolmatage. De tels filtres peuvent notamment être utilisés pour filtrer des fluides corrosifs, pour filtrer un fluide à basse ou à haute température (par exemple jusqu’à 650°C), ou pour filtrer un fluide à basse ou haute pression (en particulier en vue d’une décontamination ou d’une stérilisation d’un fluide, par exemple dans le domaine de la biologie ou de la pharmacie). Ces filtres peuvent être utilisés pour filtrer un brouillard d’huile (gouttelettes d’huile issues des systèmes de lubrification contenus dans un flux d’air circulant dans différentes zones de lubrification par exemple) et séparer les gouttelettes d’huile avant de rejeter le flux d’air ainsi purifié vers l’environnement. Ces filtres ne peuvent toutefois présenter que des formes simples du fait de leur procédé de fabrication, ce qui limite les applications dans lesquelles ils peuvent être utilisés. En effet, de tels filtres sont proposés généralement sous la forme de disques, de plaques ou encore de cylindres. Présentation de l’invention L’invention vise à remédier à cet inconvénient, de façon simple, fiable et peu onéreuse. A cet effet, l’invention concerne un procédé de fabrication additive couche par couche d’une pièce dont au moins une partie forme un filtre métallique, par fusion sélective d’une poudre métallique par balayage de la surface de chaque couche de poudre à l’aide d’un faisceau laser, la poudre métallique étant une poudre en un alliage à base de nickel et/ou de cobalt, la couche comportant une épaisseur comprise entre 30 et 65 microns, la puissance du laser étant comprise entre 300 et 370 Watts, la vitesse d’avance du laser par rapport à la couche étant comprise entre 1500 et 5000 mm/s, la poudre fusionnée et solidifiée formant un motif définissant la structure du filtre, ladite structure étant poreuse et présentant des pores ouverts. Plusieurs motifs de balayage du laser peuvent être utilisés pour former la structure poreuse. Les paramètres précités permettent d’obtenir un filtre présentant une bonne tenue mécanique tout en présentant des pores d’une taille adaptée pour assurer la fonction de filtration et la circulation du fluide au travers du filtre. En dehors des plages de valeurs précitées, il a été constaté que : - soit les couches solidifiées n’ont pas une cohésion suffisante entre elles, de sorte que les couches se délitent les unes par rapport aux autres. Un tel cas survient dans le cas où la puissance du laser est trop faible et/ou dans le cas où la vitesse de déplacement est trop rapide. - soit les pores ont des dimensions trop faibles, voire nulles, de sorte que le filtre ne peut pas assurer sa fonction principale, consistant à permettre le passage de fluide (gaz ou liquide), au travers du filtre. Un tel cas survient dans le cas où la puissance du laser est trop importante et/ou dans le cas où la vitesse de déplacement est trop faible. En d’autres termes, la puissance et la vitesse de déplacement du laser permettent de contrôler la largeur et la profondeur du bain de fusion du matériau lors de la fabrication. Dans le cas de l’invention, il a été constaté que l’adaptation particulière de la puissance et de la vitesse de déplacement du laser permet de fusionner au moins deux couches, par exemple trois couches, lors du passage du laser, de façon à assurer une bonne cohésion entre ces couches après solidification. L’alliage de la poudre peut être de type René 77 ou Inconel 718. La pièce fabriquée peut comporter une partie ne formant pas un filtre, mais assurant par exemple une fonction structurelle, et une partie formant ledit filtre. Pour chaque couche, la poudre peut être fusionnée selon un motif formé de lignes rectilignes parallèles les unes par rapport aux autres, les lignes d’une couche formant un angle avec les lignes des couches adjacentes, de manière à former des fils parallèles de matériau solidifié au sein d’une même couche, entrecroisés avec les fils des couches adjacentes. Les zones entre les fils définissent les pores ouverts du filtre. La distance entre les lignes peut être comprise entre 0,8 mm et 3,8 mm. L’angle entre les lignes de deux couches adjacentes peut être compris entre 11 et 87°, modulo 90°. On définit par distance entre les lignes la distance entre les trajectoires rectilignes du laser. Cette distance est donc indépendante de la largeur des fils formés par solidification. Cette distance est également appelée écart vecteur. En dessous de cette plage de valeurs, la porosité est insuffisante pour assurer le passage du fluide au travers du filtre. Au-dessus de cette plage de valeurs, la cohésion entre les différentes couches du filtre n’est pas assurée, de sorte que le filtre n’a pas suffisamment de tenue mécanique. D’autres types de motifs peuvent être utilisés. Chaque couche peut par exemple comporter un motif en forme de grille ou formée de lignes courbes ou ondulées, les lignes pouvant se croiser ou se toucher entre elles ou non. La structure du filtre peut être adaptée de façon à ce que le taux de porosité du filtre est compris entre 25 et 55 %. Le taux de porosité du filtre est défini comme le rapport du volume de pores par rapport au volume de matière du filtre. La structure du filtre peut être adaptée de façon à ce que le taux de porosité varie au fur et à mesure des couches. Le taux de porosité peut ainsi diminuer ou augmenter progressivement d’une extrémité du filtre à une autre, de façon à réaliser une filtration étagée. D’autres types de variations peuvent être envisagées. L’invention concerne également un filtre obtenu à l’aide du procédé précité. Le filtre peut notamment comporter une structure à porosité ouverte, comportant différentes couches superposées, chaque couche comportant un motif formé de lignes rectilignes parallèles les unes par rapport aux autres, les lignes d’une couche formant un angle avec les lignes des couches adjacentes, de manière à former des fils parallèles de matériau solidifié au sein d’une même couche, entrecroisés avec les fils des couches adjacentes. Brève description des figures est une vue schématique d’une installation pour la mise en œuvre du procédé selon l’invention, est une vue schématique en coupe d’un bain de fusion lors de l’utilisation de premiers paramètres du procédé de fonctionnement de l’installation, est une vue correspondant à la , lors de l’utilisation de seconds paramètres, est une vue schématique illustrant l’assemblage de trois couches de fils entrecroisés et écartés les uns des autres, selon un ensemble de paramètres du procédé, est une vue correspondant à la , illustrant un autre ensemble de paramètres, est une vue correspondant à la , illustrant un autre ensemble de paramètres, est une vue en coupe axiale et en perspective d’un cylindrique comportant une zone centrale formant un filtre, réalisé à l’aide d’un ensemble de paramètres, est une vue correspondant à la , avec un autre ensemble de paramètres. Description détaillée de l’invention La représente une installation de fabrication d'une pièce métallique par frittage sélectif ou fusion sélective d'une poudre selon l'art antérieur. Celle-ci comporte un réservoir 1 contenant une poudre métallique 2 et dont le fond 3 est mobile et déplaçable en translation par une tige 4 d'un vérin, et une cuve ou chambre de fabrication voisine 5, dont le fond est constitué par un plateau mobile 6, également déplaçable en translation par une tige 7 d'un vérin. L'installation comporte en outre un racleur 8 permettant d'amener de la poudre du réservoir 1 vers la chambre 5, par déplacement le long d'un plan horizontal A, et des moyens 9 de génération d'un faisceau laser, couplés à un dispositif 10 permettant d'orienter et de déplacer le faisceau 11. Le dispositif 10 est commandé par un système de traitement de l'information dans lequel on a enregistré les coordonnées tridimensionnelles des points des couches successives de la pièce à réaliser. Le surplus de poudre peut être collecté dans une cuve ou chambre de collecte 12, adjacente à la chambre de fabrication 5 et située à l’opposé du réservoir 1. Lors de la mise en œuvre du procédé de fabrication, on dispose dans la chambre 5 et sur le plateau mobile 6, une première couche de poudre à l'aide du racleur 8. La couche présente alors une surface inférieure correspondant à la surface du plateau 6 et une surface supérieure sur laquelle est dirigé et déplacé le faisceau laser ou le faisceau d'électrons 11. L'énergie apportée par ce faisceau 11 provoque la fusion locale ou le frittage local de la poudre qui, en se solidifiant, forme une première couche de la pièce métallique 13. Après formation de cette première couche, le plateau 6 est descendu d'une distance correspondant à l'épaisseur d'une couche, puis une deuxième couche de poudre 2 est amenée par le racleur 8 sur la couche précédente. De la même manière que précédemment, une deuxième couche de la pièce métallique 13 est formée à l'aide du faisceau 11. Ces opérations sont répétées jusqu'à fabrication complète de la pièce 13. La pièce 13 est ensuite retirée de la chambre et la poudre non frittée est récupérée en vue d'être réutilisée. La poudre 2 utilisée dans le cadre de l’invention est une poudre en un alliage à base de nickel et/ou de cobalt. L’alliage de la poudre peut être de type René 77 ou Inconel 718. Plusieurs paramètres du procédé de fabrication de la pièce métallique peuvent être ajustés. Parmi ces paramètres, on peut notamment citer l’épaisseur de la couche, la puissance du laser, et la vitesse d’avance du laser par rapport à la couche de poudre. La illustre le cas d’une puissance importante du laser et/ou d’une vitesse d’avance faible dudit laser. Dans un tel cas, les dimensions du bain de fusion 14, c’est-à-dire de la zone fusionnée de matière, sont importantes. Parmi ces dimensions, on citera notamment la section du bain ou sa largeur suivant les plans des différentes couches 15, et la profondeur du bain 14, suivant la direction perpendiculaires aux couches. Un tel cas a pour résultat de diminuer le taux de porosité dans la pièce, du fait du lasage d’un grand nombre de couches 15. La illustre le cas d’une puissance faible du laser et/ou d’une vitesse d’avance élevée dudit laser. Dans un tel cas, les dimensions du bain de fusion 14 sont faibles. L’invention concerne l’application d’un tel procédé pour la réalisation d’un filtre 16 ou d’une pièce comportant au moins une zone formant un filtre 16. Le filtre 16 est formé par fusion et solidification de chaque couche 15 selon un motif définissant la structure du filtre 16, ladite structure étant poreuse et présentant des pores ouverts permettant le passage d’un fluide au travers du filtre 16. Le filtre 16 peut être un liquide, par exemple du carburant ou de l’huile, un gaz ou un mélange de liquide et de gaz. Selon l’invention, la puissance du laser 11 est comprise entre 300 et 370 Watts et la vitesse d’avance du laser 11 par rapport à la couche 15 est comprise entre 1500 et 5000 mm/s. En dehors des plages de valeurs précitées, il a été constaté que : - soit les couches 15 solidifiées n’ont pas une cohésion suffisante entre elles, de sorte que les couches 15 se délitent les unes par rapport aux autres. Un tel cas survient dans le cas où la puissance du laser 11 est trop faible et/ou dans le cas où la vitesse de déplacement du laser 11 par rapport aux couches 15 est trop rapide. - soit les pores ont des dimensions trop faibles, voire nulles, de sorte que le filtre 16 ne peut pas assurer sa fonction principale, consistant à permettre le passage de fluide (gaz ou liquide), au travers du filtre 16. Un tel cas survient dans le cas où la puissance du laser 11 est trop importante et/ou dans le cas où la vitesse de déplacement est trop faible. Comme indiqué précédemment, la puissance et la vitesse de déplacement du laser 11 permettent de contrôler la largeur et la profondeur du bain de fusion du matériau lors de la fabrication. Dans le cas de l’invention, il a été constaté que l’adaptation particulière de la puissance et de la vitesse de déplacement du laser 11 permet de fusionner au moins deux couches 15, par exemple trois couches 15, lors du passage du laser 11, de façon à assurer une bonne cohésion entre ces couches 15 après solidification. Pour chaque couche 15, la poudre est de préférence fusionnée selon un motif formé de lignes rectilignes 17 parallèles les unes par rapport aux autres, les lignes 17 d’une couche 15 formant un angle avec les lignes 17 des couches 15 adjacentes, de manière à former des fils parallèles de matériau solidifié au sein d’une même couche 15, entrecroisés avec les fils des couches 15 adjacentes. Les zones entre les fils définissent les pores ouverts du filtre 16. La distance entre les lignes 17 peut être comprise entre 0,8 mm et 3,8 mm. On définit par distance entre les lignes 17 la distance entre les trajectoires rectilignes du laser 11. Cette distance est donc indépendante de la largeur des fils (désignés également par la référence 17 par commodité) formés par solidification. Cette distance est également appelée écart vecteur. En dessous de cette plage de valeurs, la porosité est insuffisante pour assurer le passage du fluide au travers du filtre 16. Au-dessus de cette plage de valeurs, la cohésion entre les différentes couches 15 du filtre 16 n’est pas assurée, de sorte que le filtre 16 n’a pas suffisamment de tenue mécanique. La illustre, en haut, trois couches 15 successives présentant des lignes ou fils 17 de matière fusionnée et solidifiée, inclinées selon des angles différents, d’une couche 15 à l’autre, de sorte que l’empilement de ces couches 15, visible en bas de la figure, permet de former un maillage poreux. Les fils 17 des différentes couches 15 sont liés les uns aux autres de façon à assurer la tenue mécanique du filtre 16. La poudre 1 non fusionnée lors du procédé de fabrication peut être retirée par gravitée ou par soufflage par exemple, à l’issu de la fabrication, de façon à former les pores 18 du filtre 16. La est similaire à la , mais pour laquelle les paramètres de puissance et/ou de vitesse d’avance du laser 11 ne sont pas respectés. Dans un tel cas, la largeur des fils 17 est plus importante, du fait des dimensions du bain de fusion 14, comme évoqué précédemment. Dans un tel cas, les pores 18 du filtre 16 obtenu sont trop petits, voire inexistants, de sorte que le filtre 16 ne permet pas le passage de fluide (ou avec un débit trop faible) au travers du fluide. La est similaire à la , mais pour laquelle le paramètre relatif à la distance entre les lignes 17 n’est pas respecté, en particulier est trop faible par rapport aux spécifications exposées ci-dessus. Dans un tel cas, les pores 18 du filtre 16 obtenu sont également trop petits, voire inexistants, de sorte que le filtre 16 ne permet pas le passage de fluide (ou avec un débit trop faible) au travers du fluide. D’autres types de motifs peuvent être utilisés. Chaque couche 15 peut par exemple comporter un motif en forme de grilles ou formée de lignes 17 courbes ou ondulées, les lignes 17 pouvant se croiser ou se toucher entre elles ou non. De façon générale, la structure du filtre 16 peut être adaptée de façon à ce que le taux de porosité du filtre 16 est compris entre 25 et 55 %. Le taux de porosité du filtre 16 est défini comme le rapport du volume de pores 18 par rapport au volume de matière 17 du filtre 16. La structure du filtre 16 peut également être adaptée de façon à ce que le taux de porosité varie au fur et à mesure des couches 15. Le taux de porosité peut ainsi diminuer ou augmenter progressivement d’une extrémité du filtre 16 à une autre, de façon à réaliser une filtration étagée. D’autres types de variations peuvent être envisagées. La illustre une pièce cylindrique 19 s’étendant suivant un axe X, comportant une partie radialement externe tubulaire 20 et une partie radialement interne formant un filtre 16 poreux du type précité. Le terme radial est défini par rapport à l’axe X. La partie tubulaire 20 forme par exemple une partie structurelle destinée à assurer le transfert d’efforts mécaniques, la partie interne 16 étant destiné à être traversée par un fluide. Bien entendu, des pièces 19 de formes plus complexes peuvent être obtenus par fabrication additive, conformément à l’invention. Le cas de la illustre le cas où le filtre 16 a été fabriqué en respectant les plages de valeur des paramètres exposées ci-dessus. Dans un tel cas, le filtre 16 présente une bonne tenue mécanique, les différentes couches 15 de fils étant parfaitement liées entre elles. Le cas de la illustre le cas où le filtre 16 n’a pas été fabriqué en respectant les plages de valeur des paramètres exposées ci-dessus. En particulier, la puissance du laser 11 est trop faible et/ou la vitesse de déplacement du laser 11 est trop importante. Dans un tel cas, les différentes couches 15 de fils ne sont correctement liées entre elles de sorte que le filtre 16 ne présente pas de tenue mécanique. Ci-après sont présentés différents exemples de combinaison de paramètres permettant d’obtenir un filtre 16 conforme aux spécifications, comme celui illustré à la par exemple. Dans les exemples qui suivent : « Ev » désigne l’écart vecteur ou la distance entre les fils 17, en mm. « Vitesse » désigne la vitesse d’avance du laser 11 par rapport à la couche 15 de poudre, en mm/s. « Puissance » désigne la puissance du laser 11, en Watts. Ev [mm] Vitesse [mm/s] Puissance [W] 1,5 2500 370 1,5 3000 370 2,5 2500 370 2,5 3000 370 Ci-après sont présentés différents exemples de combinaison de paramètres ne permettant pas d’obtenir un filtre 16 conforme aux spécifications, comme celui illustré à la par exemple. Ev [mm] Vitesse [mm/s] Puissance [W] 1,5 2500 270 2,5 2500 270 3,5 2500 370 4,5 2500 370 Procédé de fabrication additive couche par couche d’une pièce (19) dont au moins une partie forme un filtre (16) métallique, par fusion sélective d’une poudre métallique (1) par balayage de la surface de chaque couche de poudre (1) à l’aide d’un faisceau laser (11), la poudre métallique (1) étant une poudre en un alliage à base de nickel et/ou de cobalt, la couche comportant une épaisseur comprise entre 30 et 65 microns, la puissance du laser (11) étant comprise entre 300 et 370 Watts, la vitesse d’avance du laser (11) par rapport à la couche étant comprise entre 1500 et 5000 mm/s, la poudre fusionnée et solidifiée formant un motif (17) définissant la structure du filtre (16), ladite structure étant poreuse et présentant des pores (18) ouverts. Procédé de fabrication selon la revendication 1, dans lequel, pour chaque couche (15), la poudre (1) est fusionnée selon un motif formé de lignes rectilignes (17) parallèles les unes par rapport aux autres, les lignes (17) d’une couche (15) formant un angle avec les lignes (17) des couches (15) adjacentes, de manière à former des fils (17) parallèles de matériau solidifié au sein d’une même couche (15), entrecroisés avec les fils (17) des couches adjacentes (15). Procédé de fabrication selon la revendication 2, caractérisé en ce que la distance entre les lignes (17) est comprise entre 0,8 mm et 3,8 mm. Procédé de fabrication selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que l’angle entre les lignes (17) de deux couches (15) adjacentes peut être compris entre 11 et 87 °. Procédé de fabrication selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la structure du filtre (16) est adaptée de façon à ce que le taux de porosité du filtre (16) est compris entre 25 et 55 %. Procédé selon l’une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la structure du filtre (16) est adaptée de façon à ce que le taux de porosité varie au fur et à mesure des couches (15).