Brevet FR3116744A1 — publié le 20220603

L’invention porte sur une machine de fabrication (1) caractérisée en ce qu’elle comprend : - au moins une tête laser (2), - au moins un capteur de plasma (3) agencé pour mesurer le plasma généré par l’interaction du faisceau laser sur la pièce à fabriquer, - au moins un moyen de réglages en position (6) de l’au moins un capteur de plasma (3) par rapport à l’au moins une tête laser (2), - un dispositif d’approvisionnement en métal d’apport (4), - un dispositif d’approvisionnement en gaz inerte (5), - un module électronique de commande (7) comparant la ou les valeurs détectées par l’au moins un capteur de plasma à des valeurs prédéterminées d’émission de plasma, et commandant l’au moins une tête laser, le dispositif d’approvisionnement en métal d’apport et le dispositif d’approvisionnement en gaz inerte. Figure à publier avec l’abrégé : Fig. 1 Machine laser et procédé de fabrication à détection de seuils de plasma DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION La présente invention concerne le domaine de la fabrication à l’aide d’un faisceau laser. Elle concerne en particulier le soudage, le découpage, le décapage, le marquage, la fabrication additive, la fabrication par rechargement. ETAT DE LA TECHNIQUE On connaît de l’état de la technique diverses machines de soudage par faisceau laser. Certaines machines comprennent un capteur de plasma afin de contrôler la qualité du cordon du soudure. En cas d’anomalie, un seul message d’alerte peut être envoyé à un opérateur. Alternativement, il est connu de la demande US5651903 de réguler la puissance du faisceau laser. Cependant, il est désireux de proposer une machine de fabrication offrant une qualité de soudure accrue et de manière efficiente. OBJET DE L’INVENTION A cet effet, et selon un premier aspect, l’invention propose une machine de fabrication comprenant : - au moins une tête laser agencée pour émettre un faisceau laser en direction d’une pièce ou un ensemble de pièces à fabriquer, - au moins un capteur de plasma agencé pour mesurer le plasma généré par l’interaction du faisceau laser sur la pièce ou l’ensemble de pièces à fabriquer, - au moins un moyen de réglages en position de l’au moins un capteur de plasma par rapport à l’au moins une tête laser, - un dispositif d’approvisionnement en métal d’apport, - un dispositif d’approvisionnement en gaz inerte, - un module électronique de commande comparant la ou les valeurs détectées par l’au moins un capteur de plasma à des valeurs prédéterminées d’émission de plasma, et commandant l’au moins une tête de laser, le dispositif d’approvisionnement en métal d’apport et le dispositif d’approvisionnement en gaz inerte. La tête laser peut émettre un faisceau laser du type continu ou impulsionnel. Dans le cas d’un faisceau laser du type continu, il est possible d’utiliser les faisceaux laser suivants : - un faisceau laser CO2 (un faisceau infrarouge) dont la longueur d’onde est de 10,6 micromètres, et dont la puissance est comprise entre 500W et 3000W, - un faisceau laser fibre dont la longueur d’onde est de 1064 nanomètres dont la puissance peut s’élever jusqu’à 4000W. Dans le cas d’un faisceau laser du type impulsionnel, il est possible d’utiliser les faisceaux laser suivants : - un faisceau laser grenat d'yttrium-aluminium dopé au néodyme (abréviation usuelle : Nd-YAG) dont la longueur d'onde est de 1064 nanomètres, dont la puissance moyenne est de 500W, et dont la fréquence est comprise entre 20 et 3333 Hz, - un faisceau laser Ytterbium à fibre dont la longueur d'onde est de 1070 nanomètres, dont la fréquence est comprise entre 20 et 5000 Hz, et dont la puissance moyenne est 150W. De préférence, la machine de fabrication comprend un bâti, sur lequel tout ou partie des éléments cités au-dessus sont fixés. Le bâti peut comprendre un mât ou une potence. Selon un autre mode de réalisation, la machine de fabrication comprend un système de déplacement de l’au moins une tête laser. Le système de déplacement permet de déplacer l’au moins une tête laser par rapport à la pièce ou l’ensemble de pièces à fabriquer. Selon une variante de réalisation, le système de déplacement peut porter également un ou plusieurs des éléments suivants : l’au moins un capteur de plasma, tout ou partie du dispositif d’approvisionnement en métal d’apport, par exemple son extrémité distale, tout ou partie du dispositif d’approvisionnement en gaz inerte, par exemple la buse portée par ledit dispositif. De préférence, l’au moins un capteur de plasma peut comprendre une photorésistance qui mesure la quantité de lumière plasma. La lumière à détecter est une onde lumineuse émise dans le visible et présente des valeurs de longueur d'onde dans le visible comprise entre 400 à 800 nanomètres. La photorésistance présente une valeur minimale de résistance et une valeur maximale de résistance, ces valeurs pouvant varier selon la référence de la photorésistance. En cas de détection d’un flux lumineux élevé, ou très élevé, la valeur de la résistance sera proche de la valeur minimale de la photorésistance ou égale à celle-ci. En cas de détection d’un flux lumineux faible, ou très faible, la valeur de la résistance sera proche de la valeur maximale de la photorésistance, ou égale à celle-ci. Selon un exemple de capteur de plasma, la photorésistance présente une résistance minimale de 100 Ω (ohms) (en pleine lumière) et une résistance maximale de 20 MΩ (obscurité totale). A 200 Ω l’opération de fabrication, par exemple une soudure, ne peut pas présenter une qualité suffisante ou n’est pas correcte. De préférence et selon un mode de réalisation, on définit un seuil de 1000 Ω en-dessous duquel la machine de fabrication est arrêtée. Selon une variante, on définit une gamme de valeurs prédéterminées comprise entre 800 et 1200 kΩ selon le matériau utilisé et/ou le matériel utilisé. A 1500 Ω l’opération de fabrication, par exemple une soudure, présente une qualité suffisante. Ces valeurs sont indiquées pour une zone de fabrication dont l’intensité d’éclairage est constante. Ces valeurs sont à minorer selon une augmentation de l’intensité lumineuse ou à majorer selon une diminution de l’intensité lumineuse. Dans le cas d’un déficit en gaz inerte, la luminosité accrue du plasma est telle que la résistance du capteur diminue, et par exemple présente une valeur comprise entre 400 et 200 Ω. Dans le cas d’un déficit en métal d’apport, la luminosité accrue du plasma est telle que la résistance du capteur diminue, et par exemple présente une valeur comprise entre 400 et 200 Ω. En outre, pour une même opération de fabrication, les valeurs prédéterminées peuvent évoluer selon le matériau utilisé. Par exemple, l’aluminium reflète davantage la lumière de sorte qu’un déficit en gaz inerte correspond à une valeur de résistance comprise entre 300 et 200 Ω, et un déficit en métal d’apport correspond à une valeur de résistance comprise entre 300 et 200 Ω. Enfin les valeurs de résistance évoluent en fonction du type de faisceau laser. Par exemple le faisceau laser CO2 est plus lumineux que le faisceau laser YAG. Par exemple, en cas d’un faisceau laser CO2 appliqué sur de l’aluminium les valeurs de résistance sont les suivantes : 200 Ω en cas de déficit en gaz inerte, et en cas de déficit en métal d’apport. Selon un mode de réalisation, la machine de fabrication comprend deux capteurs de plasma. Selon des variantes de réalisation, la machine de fabrication peut comprendre en outre : - une caméra infrarouge filmant l’opération de fabrication, de manière à par exemple détecter un déficit en métal d’apport, et/ou - un débitmètre disposé dans le dispositif d’approvisionnement en gaz inerte, de manière à surveiller le débit du flux du gaz inerte. De préférence, l’au moins un moyen de réglages en position de l’au moins un capteur de plasma par rapport à l’au moins une tête laser est agencé pour régler : - l’écartement entre la pièce ou l’ensemble de pièces à fabriquer et l’au moins un capteur, et - l’inclinaison de l’au moins un capteur par rapport à un plan horizontal positionner l’au moins un capteur. Selon un mode de réalisation, la machine de fabrication comprend deux moyens de réglages en position de capteur. Selon une variante de réalisation, la machine de fabrication peut comprendre un moyen de réglage en position du dispositif d’approvisionnement en métal d’apport et/ou du dispositif d’approvisionnement en gaz inerte. Le dispositif d’approvisionnement en métal d’apport peut être un dispositif d’approvisionnement en fil métallique ou un dispositif d’approvisionnement en poudre. Par exemple, le métal d’apport est constitué du matériau suivant : - acier non allié, ou faiblement allié (éléments d’alliage inférieur à 5%), - acier chrome-nickel (comprenant une quantité de chrome inférieure ou égale à 20% et une quantité de nickel inférieure ou égale à 30%), - nickel, ou alliages de nickel (comprenant une quantité une quantité de nickel supérieure ou égale à 30%), - acier chrome-nickel fil fourré (comprenant une quantité de chrome inférieure ou égale à 20% et une quantité de nickel inférieure ou égale à 30%), - aluminium pur, ou alliages d’aluminium, ou alliages aluminium-silicium. Le dispositif d’approvisionnement en métal d’apport peut être un dévidoir de fil. Le dispositif d’approvisionnement en métal d’apport peut être un dévidoir de fil du type poussé ou tiré, par impulsion ou par train d’impulsion. De préférence, le dispositif d’approvisionnement en gaz inerte est un dispositif d’approvisionnement en argon et/ou en hélium. Le gaz inerte peut être soit de l’argon, soit de l’hélium, soit un mélange d’argon et d’hélium. Le dispositif d’approvisionnement en gaz inerte comprend une alimentation en gaz inerte, un tuyau ou conduit d’approvisionnement et une buse de distribution. Selon un mode de réalisation, la machine de fabrication comprend un capteur de concentration en gaz inerte. De préférence, le module électronique de commande est un nano-ordinateur. La machine de fabrication, comprenant l’une ou plusieurs des caractéristiques précédentes, peut être utilisée pour le soudage, découpage, décapage, marquage au laser, fabrication additive, fabrication de rechargement. Selon un deuxième aspect, l’invention propose un procédé de fabrication utilisant un faisceau laser, mis en œuvre par une machine de fabrication selon le premier aspect de l’invention, le procédé comprenant les étapes suivantes : - émettre un faisceau laser vers une pièce ou un ensemble de pièces à fabriquer, - mesurer, par l’intermédiaire du capteur de plasma, l’émission de plasma généré, - comparer, par l’intermédiaire du module électronique de commande, la valeur d’émission de plasma détecté en fonction d’une ou plusieurs valeur(s) ou d’une ou plusieurs gammes de valeurs prédéterminée(s), chaque valeur ou gamme de valeurs prédéterminée étant associée à une action de fabrication du type : - actionner l’approvisionnement du métal d’apport, - actionner l’approvisionnement en gaz inerte, - arrêter la machine de fabrication si la valeur d’émission de plasma détectée est inférieure à une valeur minimale prédéterminée, - réaliser l’action de fabrication associée à ladite valeur ou la gamme de valeurs prédéterminée lorsqu’une valeur d’émission de plasma détectée est égale à l’une des valeurs prédéterminées ou est englobée dans une gamme de valeurs prédéterminée. De préférence, l’approvisionnement en métal d’apport et l’approvisionnement en gaz inerte sont réalisés simultanément lors de l’émission d’un faisceau laser. Selon un mode de réalisation, la machine de fabrication peut comprendre une enceinte de manière à fabriquer la pièce ou l’ensemble de pièces dans un volume fermé ; les éléments de la machine étant placés dans ladite enceinte. La machine et le procédé de fabrication selon l’invention permettent de contrôler plusieurs paramètres de fabrication. Ils ont pour avantages à la fois d’augmenter la qualité de fabrication, en particulier la qualité des cordons de soudure dans le cas du soudage, tout en limitant le métal d’apport et/ou l’approvisionnement en gaz inerte au strict nécessaire, d’être plus simple, plus compacte et plus économique que les machines de l’état de la technique. Ils permettent en outre de réaliser diverses opérations comme le soudage, le découpage, le décapage, le marquage, fabrication additive, fabrication par rechargement. En particulier, la machine et le procédé permettent de diminuer la formation des projections et de protéger le bain de fusion des phénomènes de fissuration et d’éjections. BREVE DESCRIPTION DE LA FIGURE D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront de la description détaillée de l’invention qui va suivre en référence à la figure annexée : la est un schéma d’une machine de fabrication selon un mode de réalisation de l’invention. DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION En relation avec la , il est décrit un mode de réalisation d’une machine de fabrication 1 utilisant un faisceau laser agencée pour fabriquer une pièce 100 ou un ensemble de pièce. La machine de fabrication 1 comprend un dispositif d’émission d’un faisceau laser, dit tête laser 2. La tête laser 2 est disposée et orientée de manière à émettre un faisceau laser 2f en direction de la pièce 100. Du fait de l’interaction du faisceau laser 2f sur la pièce 100, des particules ionisées sont générées de manière à former le plasma, illustré par un demi-cercle P au-dessus de la pièce 100. De préférence, la tête laser est disposée sur un dispositif de réglage 6 de manière à régler sa position relativement à la zone de fabrication. La machine comprend un capteur de plasma 3 disposé à proximité de la zone de fabrication. En référence à la , le corps du capteur de plasma 3 est disposé à quelques centimètres de la tête laser 2, de préférence entre 2 et 10 centimètres. Le capteur comprend, à une extrémité distale, une photorésistance mesurant la quantité de lumière de plasma. Le corps du capteur de plasma est disposé sur le dispositif de réglage 6 de manière à régler la position du capteur de plasma relativement à la zone de fabrication et en fonction de l’émission de plasma attendu ou prévisible. Le capteur de plasma peut être écarté et/ou incliné par rapport à la zone de fabrication. En outre, la machine comprend un dispositif d’approvisionnement en métal d’apport. Selon le mode de réalisation représenté, ledit dispositif est un dispositif d’approvisionnement en fil métallique, dit dévidoir de fil 4. De préférence, la matière du fil métallique 41 est du téflon. Le dispositif d’approvisionnement comprend une extrémité de distribution 42 qui est disposée sur le dispositif de réglage 6. La position de l’extrémité de distribution 42 est réglable de la même manière que la position du capteur. La machine de fabrication comprend un dispositif d’approvisionnement en gaz inerte 5 comprenant une buse 52 et un tuyau 51 reliant l’alimentation (non représentée) en gaz inerte à la buse. La buse 52 est également disposée sur le dispositif de réglage 6 et est réglable de la même manière que la position du capteur. Le dispositif de réglage 6 comprend des moyens de serrage et d’inclinaison pour chaque élément cité au-dessus de manière les régler en position. Selon le mode de réalisation non représenté, la machine de fabrication comprend un système de déplacement qui est relié au dispositif de réglage permettant de déplacer l’ensemble des éléments simultanément, par exemple dans le cas du soudage. La machine comprend en outre un module électronique de commande 7, auquel la tête laser 2, le capteur de plasma 3, le dispositif d’approvisionnement en métal d’apport 4 et le dispositif d’approvisionnement en gaz inerte sont connectés. Le module 7 permet de commander et/ou réguler chaque élément de la machine en fonction de la mesure de la luminosité du plasma détectée par le capteur 3. Il est enregistré des valeurs prédéterminées et des gammes de valeurs prédéterminées qui correspondent à des états ou des situations de fabrication conformes ou non conformes selon les cas. En outre les valeurs ou gammes de valeurs prédéterminées différent selon le type de matériau ou les types de matériaux de la pièce ou l’ensemble de pièces à fabriquer. On va maintenant décrire un procédé de fabrication de soudage utilisant un faisceau laser. Le procédé comprend les étapes suivantes : - mettre en place la pièce à fabriquer 100 dans le système de bridage 90, - régler la position du capteur de plasma 3 en fonction du matériau de la pièce 100, la position de l’extrémité de distribution 42 et la position de la buse 52 au-dessus du plan de joint, - configurer le module électronique de commande en sélectionnant le matériau de la pièce 100 de manière à sélectionner les valeurs ou les gammes de valeurs prédéterminées en fonction dudit matériau, - émettre un faisceau laser vers la pièce 100 afin de réaliser le soudage, - mesurer, par l’intermédiaire du capteur de plasma, l’émission de plasma généré, - comparer, par l’intermédiaire du module électronique de commande, la valeur d’émission de plasma détecté en fonction des valeurs gammes de valeurs prédéterminées, - commander l’actionnement du dispositif d’approvisionnement en métal d’apport et/ou du dispositif d’approvisionnement en gaz inerte et/ou de la tête laser lorsqu’une valeur d’émission de plasma détectée est égale à l’une des valeurs prédéterminées ou est englobée dans une gamme de valeurs prédéterminée associée au matériau considéré. Le module électronique de commande 7 commande l’arrêt de la machine de fabrication si la valeur d’émission de plasma détecté est inférieure à une valeur minimale prédéterminée. L’invention est décrite dans ce qui précède à titre d’exemple. Il est entendu que l’homme du métier est à même de réaliser différentes variantes de réalisation de l’invention sans pour autant sortir du cadre de l’invention. Machine de fabrication (1) caractérisée en ce qu’elle comprend : - au moins une tête laser (2) agencée pour émettre un faisceau laser en direction d’une pièce ou un ensemble de pièces à fabriquer, - au moins un capteur de plasma (3) agencé pour mesurer le plasma généré par l’interaction du faisceau laser sur la pièce à fabriquer ou l’ensemble de pièces à fabriquer, - au moins un moyen de réglages en position (6) de l’au moins un capteur de plasma (3) par rapport à l’au moins une tête laser (2), - un dispositif d’approvisionnement en métal d’apport (4), - un dispositif d’approvisionnement en gaz inerte (5), - un module électronique de commande (7) comparant la ou les valeurs détectées par l’au moins un capteur de plasma à des valeurs prédéterminées d’émission de plasma, et commandant l’au moins une tête laser, le dispositif d’approvisionnement en métal d’apport et le dispositif d’approvisionnement en gaz inerte. Machine de fabrication (1) selon la revendication 1, comprenant un système de déplacement de l’au moins une tête laser. Machine de fabrication (1) selon la revendication 1 ou 2, comprenant deux capteurs de plasma. Machine de fabrication (1) selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle le dispositif d’approvisionnement en métal d’apport est un dispositif d’approvisionnement en fil métallique ou un dispositif d’approvisionnement en poudre. Machine de fabrication (1) selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle le dispositif d’approvisionnement en gaz inerte est un dispositif d’approvisionnement en argon et/ou en hélium. Machine de fabrication (1) selon l’une des revendications précédentes, comprenant un capteur de concentration en gaz inerte. Machine de fabrication (1) selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle le module électronique de commande est un nano-ordinateur. Procédé de fabrication utilisant un faisceau laser, mis en œuvre par une machine de fabrication (1) selon l’une des revendications précédentes, le procédé comprenant les étapes suivantes : - émettre un faisceau laser vers une pièce ou un ensemble de pièces à fabriquer, - mesurer, par l’intermédiaire du capteur de plasma (3), l’émission de plasma généré, - comparer, par l’intermédiaire du module électronique de commande (7), la valeur d’émission de plasma détecté en fonction d’une ou plusieurs valeur(s) ou d’une ou plusieurs gammes de valeurs prédéterminée(s), chaque valeur ou gamme de valeurs prédéterminée étant associée à une action de fabrication du type : - actionner l’approvisionnement du métal d’apport, - actionner l’approvisionnement en gaz inerte, - arrêter la machine de fabrication si la valeur d’émission de plasma détecté est inférieure à une valeur minimale prédéterminée, - réaliser l’action de fabrication associée à ladite valeur ou la gamme de valeurs prédéterminée lorsqu’une valeur d’émission de plasma détectée est égale à l’une des valeurs prédéterminées ou est englobée dans une gamme de valeurs prédéterminée. Procédé de fabrication selon la revendication précédente dans lequel l’approvisionnement en métal d’apport et l’approvisionnement en gaz inerte sont réalisés simultanément lors de l’émission d’un faisceau laser. Utilisation de la machine de fabrication (1) selon l’une des revendications 1 à 7, pour le soudage, découpage, décapage, marquage au laser, fabrication additive, fabrication de rechargement.