Brevet FR3119339A1 — publié le 20220805

Le présent document concerne un dispositif pour fabrication additive par fusion laser comprenant une tête laser (4) d’axe longitudinal (24) et apte à faire fondre une poudre sur un substrat (6), et des moyens optiques (34) de mesure d’une distance entre l’extrémité distale (2) de la tête laser (4) et le substrat (6), caractérisé en ce que lesdits moyens optiques (34) comprennent un axe optique (42) coaxial à l’axe longitudinal (24) de la tête laser (4). Figure à publier avec l’abrégé : [Fig. 3] Dispositif et procédé associé pour fabrication additive Domaine technique de l’invention Le présent document concerne un dispositif pour fabrication additive par fusion laser et un procédé de mise en œuvre de ce dispositif. Ce dispositif a pour but de permettre un positionnement optimal d’une tête laser par rapport à un substrat pour la réalisation d’une pièce. Etat de la technique antérieure Un procédé de fabrication additive tels que « Direct Metal Laser Sintering » (DMD), « Laser Engineered Net Shaping » (LENS), ou encore « Construction Additive Laser Directe » (CLAD) consiste à fabriquer une pièce par fusion de couches successives de poudre au moyen d'un faisceau laser ou d'un faisceau d'électrons commandé par un système de traitement de l'information dans lequel on a enregistré les coordonnées tridimensionnelles des points des couches successives à réaliser. De façon pratique, on dispose sur un substrat, une première couche de poudre à l’aide d’un racleur. L'énergie apportée par le faisceau laser provoque la fusion locale de la poudre qui, en se solidifiant, forme une première couche d’une pièce souhaitée. Cette étape est réitérée jusqu’à obtention de la pièce. Comme illustré en , une distance entre une extrémité distale 2 d’une tête de laser 4 et le substrat 6 est appelée distance de travail 8. Cette distance de travail 8 est cruciale car elle influe sur des positions de focalisations du laser et de la poudre. Une distance de focalisation trop faible peut entraîner une absence de dépôt de poudre et inversement une distance de focalisation trop élevée peut engendrer la formation de défauts métallurgiques. Classiquement, pour mesurer la distance de travail 8, différentes méthodes sont employées. L’une d’entre elles consiste à utiliser une cale. Cette cale est placée au-dessus du substrat 6 et l’extrémité distale 2 de la tête laser 4 est positionnée à 1 cm dudit substrat 6. La tête laser est déplacée par incrément de 100 µm jusqu’à toucher une première face de la cale, une deuxième face 14 de la cale étant en contact du substrat 6. Cette première méthode présente une répétabilité de ± 115 µm. Cette méthode ne fonctionne que sur des surfaces planes, provoque une usure de la tête laser 4 par frottement et est chronophage. Une deuxième méthode consiste à employer un comparateur. Ce comparateur est positionné sur le substrat 6 en un endroit quelconque. La tête laser 4 est déplacée jusqu’à ce que l’extrémité distale 2 de la tête laser 4 entre en contact avec le comparateur. La tête laser 4 est rapprochée du comparateur selon un axe longitudinal jusqu’à ce que des aiguilles du comparateur indique 0. Cette indication signifie que la tête laser 4 est positionnée selon l’axe longitudinal à la distance de travail 8 recherchée. Cette deuxième méthode a une répétabilité de ± 10 µm. En outre, cette méthode fonctionne uniquement sur des surfaces planes, provoque tout comme la première méthode une usure de la tête laser 4 par frottement et est chronophage. Une troisième méthode consiste à utiliser un dispositif de mesure de distance par contact utilisé pour des machines d’usinage. Ce dispositif est appelé palpeur et est positionné à la place de la tête laser 4. Après un calibrage à partir d’une surface de référence, le palpeur est positionné au-dessus du substrat et permet de repérer la distance de travail adaptée à une fabrication additive par laser. Cette méthode prend beaucoup de temps et est difficile à mettre en œuvre. Cette méthode présente, en outre, une mauvaise répétabilité de mesure : ± 64 µm. Une dernière méthode consiste à mesurer la distance de travail 8 à partir d’un télémètre laser placé sur la tête laser 4. Ce télémètre laser est un potentiomètre laser fixé à la tête laser 4 par l’intermédiaire d’un support de mise en position. Il est donc désaxé par rapport à un axe longitudinal 24 du laser. Dans de telles conditions, cette méthode de mesure de la distance de travail 8 exige que le substrat 6 soit plan ou de connaître précisément l’inclinaison de ce substrat 6 si tel est le cas. De par l’encombrement généré par la présence du télémètre laser, les risques de collisions sont accrus. La répétabilité de cette méthode n’est également pas suffisamment bonne : ± 80 µm. Aucune de ces méthodes précitées ne proposent une rapidité de mesure tout en permettant une facilité de mise en œuvre, une polyvalence d’application, une bonne répétabilité et reproductibilité de la mesure. Le présent document vise à remédier à ces inconvénients, de manière simple, fiable et peu onéreuse. Présentation de l’invention Le présent document concerne un dispositif pour fabrication additive par fusion laser comprenant une tête laser d’axe longitudinal et apte à faire fondre une poudre sur un substrat, et des moyens optiques de mesure d’une distance entre l’extrémité distale de la tête laser et le substrat, caractérisé en ce que lesdits moyens optiques comprennent un axe optique coaxial à l’axe longitudinal de la tête laser. Ce dispositif permet d’obtenir une mesure de la distance entre l’extrémité distale de la tête laser et le substrat rapidement et est facile à mettre en œuvre. La répétabilité est excellente puisqu’elle est de ± 30 µm. Cette méthode fonctionne sur tous les types de surface non nécessairement planes. L’extrémité distale de la tête laser ne risque plus d’être endommagée puisqu’il n’est plus nécessaire qu’elle entre en contact avec un élément extérieur. Le présent document concerne une installation de fabrication additive, caractérisé en ce que le dispositif peut comporter des moyens de prise d’image, une chaine optique de transmission d’image aux moyens de prise d’image d’une zone observée et des moyens d’analyse d’image, la chaine optique ayant son axe optique coaxial à l’axe longitudinal de la tête laser. Le présent document concerne un procédé de mise en œuvre du dispositif du type précité, caractérisé en ce qu’il peut comprendre les étapes : placer la tête laser (4) de manière à ce que l’axe longitudinal (24) intercepte ledit substrat (6); placer le tête laser (4) de manière à réaliser une focalisation des moyens optiques (34) sur le substrat ; en déduire la position de l’extrémité distale (2) de la tête laser (4) relativement au substrat (6). Le procédé peut comprendre entre les étapes b) et c), les étapes : déplacer successivement, sur une pluralité de pas, la tête de laser (4) selon l’axe longitudinal (24) en l’éloignant dudit substrat (6) et en réalisant à chaque pas : prendre une image de la zone observée en vis-à-vis de la tête laser (4) ; calculer un paramètre d’image fonction de la focalisation des moyens optiques (34) ; déterminer une position focale des moyens optiques (34) à partir de la pluralité de valeurs de paramètres. Le paramètre d’image peut comprendre un calcul d’un gradient d’image et une moyenne de ces gradients. Le gradient d’image peut être calculé à partir d’une formule : où : est un pixel positionné à une ligne i+1 et une colonne j d’une matrice de pixels associée à une image ; La position focale peut être calculée à partir d’un maximum des moyennes de gradients d’images. Brève description des figures représente une tête laser positionnée à une certaine distance d’un substrat ; représente un dispositif de fabrication additive selon l’invention ; représente des paramètres de netteté en fonction d’une distance selon l’axe longitudinal entre une extrémité distale de la tête laser et le substrat ; représente des courbes illustrant des paramètres de netteté en fonction de la distance selon l’axe longitudinal entre l’extrémité distale de la tête laser et le substrat ; représente les paramètres de netteté de la à partir de laquelle une courbe gaussienne est extrapolé ; représente les courbes gaussiennes associées aux courbes de la . Description détaillée de l’invention Le présent document a pour but de permettre un positionnement optimal d’une tête laser 4 pour la réalisation d’une pièce 26 par fabrication additive. Comme illustré en , le laser 28 comporte une tête laser 4 et un corps 30. La tête laser 4 comprend un cône débouchant sur une extrémité du corps 32. Le cône de la tête laser 4 comporte une extrémité distale 2 d’un côté opposé à l’extrémité du corps 32, cette extrémité distale est celle destinée à venir en vis-à-vis du substrat. Des moyens optiques 34 comportant des moyens de prise d’image 36 tel qu’une caméra 38 optique, de préférence de type CMOS ou encore plus préférentiellement de type CCD, sont agencés sur un côté latéral du corps 32 du laser 28. Cette caméra 38 peut être en couleur ou en noir et blanc. Un faisceau de sortie de la caméra 40 au niveau de l’extrémité distale 2 comprend un axe optique 42 coaxiale à un axe longitudinal de la tête laser 4. Les moyens optiques 34 comportent une chaine optique de transmission d’image 35 comprenant la caméra 38, un miroir 44 positionné au sein du corps 32 du laser 4 apte à aligner le faisceau de sortie de la caméra 40 avec le faisceau de sortie du laser 46, un câble de transmission 48 reliant la caméra 38 à des moyens d’analyse d’image 50. Ces moyens d’analyse d’image 50 comprennent un ordinateur 52. Le présent document concerne également un procédé de positionnement de la tête laser 4 par rapport à un substrat 6. Dans une première étape, on réalise un positionnement de la tête laser 4 tel qu’un axe longitudinal 24 du laser 28 intercepte le substrat 6. La tête de laser 4 est positionnée de manière à ce que l’image du substrat 6 obtenue par la caméra 38 soit floue. En d’autres termes, la tête de laser 4 est placée à une distance inférieure à une distance de focalisation de la caméra 38. Une deuxième étape comprend l’éloignement de la tête laser par rapport au substrat selon l’axe longitudinal. Une image d’une zone observée en vis-à-vis de la tête laser 4 est obtenue à chaque déplacement de la tête laser 4. Chaque image est encodée sur 8 bits donc à chaque image, correspond une matrice dans laquelle chaque élément comporte un pixel ayant une valeur comprise entre 0 et 255. Une troisième étape comprend une analyse des images obtenues. A chaque déplacement de la tête laser 4 et de la caméra 38 fixée à la tête laser 4, un gradient pour chaque pixel de chaque matrice est calculé à partir de la formule suivante : où : est un pixel positionné à une ligne i+1 et une colonne j pour chaque matrice de pixels associée à l’image ; Pour chaque image et donc pour chaque matrice obtenue, une moyenne des gradients est calculée de manière à obtenir une variable scalaire par image. Cette variable scalaire par image correspond à un paramètre d’image fonction de la focalisation des moyens optiques. On parle de paramètre de netteté 54. Plus ce paramètre de netteté 54 est élevé, plus l’image correspondante est nette et plus le positionnement de la tête laser est proche de la distance de focalisation de la caméra. Comme illustré en , l’ensemble des variables scalaires représentant les paramètres de netteté 54 peuvent être tracés en fonction d’une distance D en µm selon l’axe longitudinal 24 entre l’extrémité distale 2 de la tête laser 4 et le substrat 6. Ainsi, le paramètre de netteté P (sans unité) illustré en augmente jusqu’à atteindre un maximum puis diminue. Cette étape peut être réitérée à plusieurs reprises comme illustré en où l’opération a été répétée trois fois. La répétabilité d’une telle mesure est de ± 0,2 mm. Comme illustré en , afin de lisser les variations de chacune de ces courbes, une gaussienne 58 est calculée de manière à minimiser un écart entre chaque paramètre de netteté 54 et cette gaussienne 58. Cette minimisation est faite par la méthode des moindres carrés, reprise par la formule suivante : où les paramètres identifiés sont : σ est l’écartement ; A est l’amplitude ; x 0 est le centre; Cette opération peut être répétée à plusieurs reprises comme indiqué en . La répétabilité d’une telle méthode est de ± 30 µm. Un maximum de chacune de ces courbes est repéré comme indiqué par des traits pointillés 60 en . Ce maximum correspond à la distance de focalisation de la caméra. Or cette distance de focalisation est connue. Ainsi, il est possible de remonter avec une précision de ± 30 µm à la distance D entre l’extrémité distale 2 de la tête laser 4 et le substrat 6. La tête laser 4 peut alors être positionnée avec précision. Ce procédé peut être automatisé. Cette automatisation peut comprendre un bras robotisé apte à déplacer la tête laser 4 et la caméra 38. Cette méthode permet d’obtenir une mesure de la distance D entre l’extrémité distale 2 de la tête laser 4 et le substrat 6 rapidement et est facile à mettre en œuvre. La répétabilité est excellente puisqu’elle est de ± 30 µm. Cette méthode fonctionne sur tous types de surfaces et pas uniquement planes. L’extrémité distale de la tête laser n’est pas endommagé puisqu’il n’est plus nécessaire qu’elle entre en contact avec un élément extérieur. Enfin, l’encombrement que représente l’utilisation de la caméra est mineur, ce qui limite les risques de collisions avec des éléments extérieurs. Dispositif pour fabrication additive par fusion laser comprenant une tête laser (4) d’axe longitudinal (24) et apte à faire fondre une poudre sur un substrat (6), et des moyens optiques (34) de mesure d’une distance (56) entre l’extrémité distale (2) de la tête laser (4) et le substrat (6), caractérisé en ce que lesdits moyens optiques (34) comprennent un axe optique (42) coaxial à l’axe longitudinal (24) de la tête laser (4). Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les moyens optiques comprennent des moyens de prise d’image (39) d’une zone observée, une chaine optique de transmission d’image (35) aux moyens de prise d’image (39) de la zone observée et des moyens d’analyse d’image (50), la chaine optique ayant son axe optique (42) coaxial à l’axe longitudinal (24) de la tête laser. Procédé de mise en œuvre du dispositif selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend les étapes : placer la tête laser (4) de manière à ce que l’axe longitudinal (24) intercepte ledit substrat (6); placer le tête laser (4) de manière à réaliser une focalisation des moyens optiques (34) sur le substrat ; en déduire la position de l’extrémité distale (2) de la tête laser (4) relativement au substrat (6). Procédé selon la revendication 3 comprenant entre les étapes b) et c), les étapes : déplacer successivement, sur une pluralité de pas, la tête de laser (4) selon l’axe longitudinal (24) en l’éloignant dudit substrat (6) et en réalisant à chaque pas : prendre une image de la zone observée en vis-à-vis de la tête laser (4) ; calculer un paramètre (P) d’image fonction de la focalisation des moyens optiques (34) ; déterminer une position focale des moyens optiques (34) à partir de la pluralité de valeurs dudit paramètre. Procédé selon la revendication 4, dans lequel le paramètre d’image comprend un calcul d’un gradient d’image et une moyenne de ces gradients. Procédé selon la revendication 5, dans lequel le gradient d’image est calculé à partir d’une formule : où : est un pixel positionné à une ligne i+1 et une colonne j d’une matrice de pixels associée à une image ; Procédé selon l’une des revendications 4 à 6, dans lequel la position focale est calculée à partir d’un maximum des moyennes de gradients d’images.