Brevet FR3123234A1 — publié le 20221202

L'invention concerne un procédé de fabrication additive d’une pièce (11) tridimensionnelle, caractérisé en ce qu’il comprend au moins une étape de remplissage qui consiste à déposer un matériau métallique (18) dans un moule (12) réfractaire au moyen d’un distributeur (16) et à faire fondre ledit matériau métallique (18) simultanément au moyen d’une source (20) d’un flux d’énergie concentrée (22). (Fig. 1) procédé de fabrication additive d’une pièce tridimensionnelle Domaine technique de l’invention L'invention concerne, de façon générale, le domaine technique des procédés de fabrication additive d’une pièce tridimensionnelle. L’invention se rapporte plus spécifiquement à un procédé de fabrication additive d’une pièce tridimensionnelle métallique au moyen d’un moule réfractaire et à son système de mise en œuvre. État de la technique antÉrieure Il existe de nombreux procédés pour la fabrication de pièces métalliques tridimensionnelles, comme l’usinage, la fonderie, le moulage par injection et les procédés de fabrication additive. La fonderie est un procédé de formage des métaux qui consiste à couler un métal ou un alliage liquide dans un moule réfractaire pour reproduire, après refroidissement, une pièce donnée. Bien que ce type de procédé permette la production de pièces en grande série et de façon productive, son coût est généralement trop élevé pour la réalisation de pièces en petite série. Aussi, la fabrication de pièces par fonderie nécessite une ingénierie de conception des moules pour limiter l’apparition des défauts, notamment pour des volumes importants de métal fondu. Cela demande du temps, de l’expertise, complexifie les moules et génère des pertes de matière. La fabrication additive, aussi appelée fabrication par impression 3D, regroupe les procédés de fabrication de pièces en volume par ajout de matière en couches successives depuis une modélisation tridimensionnelle, par opposition à la fabrication soustractive. Parmi les procédés de fabrication additive, on connaît les procédés de dépôt de matière sous flux d’énergie concentrée, connu sous l’acronyme anglais DED pour « Directed Energy Deposition ». Ce type de procédé par dépôt de matière sous flux d’énergie concentrée est généralement mis en œuvre au moyen d’un dispositif de fabrication additive qui comprend un distributeur de matériau métallique adapté pour déposer le matériau métallique sur un support et une source d’un flux d’énergie concentrée adaptée pour faire fondre le matériau métallique simultanément à son dépôt. Ainsi, l’addition de cordons de métal fondu permet de réaliser une pièce en volume. Le métal en fusion forme un bain liquide qui est difficile à maîtriser, en effet sa nature liquide peut l’amener à s’effondrer. Il est donc nécessaire d’attendre le refroidissement de la pièce afin de limiter le risque d’effondrement, ce qui limite la productivité de ce type de procédé par dépôt de matière sous flux d’énergie concentrée. De plus, l’état de surface des pièces réalisées par dépôt de matière sous flux d’énergie concentrée présente une forte rugosité qui est directement liée à la géométrie des cordons de métal déposés et à leur empilement. Cet état brut et rugueux peut nécessiter un usinage de finition. L’invention vise à remédier à tout ou partie des inconvénients de l’état de la technique en proposant notamment un procédé de fabrication additive d’une pièce tridimensionnelle, qui permet d’éviter l’effondrement de la matière en fusion, qui améliore la productivité de la fabrication additive et qui permet d’obtenir des pièces présentant un état de surface pouvant s’affranchir d’un usinage de finition. Pour ce faire est proposé, selon un premier aspect de l'invention, un procédé de fabrication additive d’une pièce tridimensionnelle, caractérisé en ce qu’il comprend au moins une étape de remplissage qui consiste à déposer un matériau métallique dans un moule réfractaire au moyen d’un distributeur et à faire fondre ledit matériau métallique simultanément au moyen d’une source d’un flux d’énergie concentrée. Le procédé selon l’invention présente l’avantage d’être mis en œuvre de manière manuelle ou automatisée et permet de réaliser des pièces tridimensionnelles sans contrainte de dimensions maximum. De plus, l’utilisation d’un moule en association avec une fabrication additive par dépôt de matière permet d’éviter l’effondrement de la matière en fusion déposée qui est retenue par le moule. L’utilisation du moule permet de s’affranchir du temps de refroidissement de la matière déposée, ce qui améliore la productivité du procédé. Selon un mode de réalisation, le matériau métallique déposé au cours de l’étape de remplissage présente la forme d’un fil qui est fondu au moyen du flux d’énergie concentrée pour former un cordon de métal. Selon un mode de réalisation, le flux d’énergie concentrée utilisée au cours de l’étape de remplissage est un arc électrique. Selon un mode de réalisation, l’étape de remplissage comprend au moins successivement une première phase qui consiste à réaliser au moins en partie un contour de la pièce tridimensionnelle à fabriquer et une seconde phase qui consiste à remplir ledit contour préalablement réalisé. Selon un mode de réalisation, le procédé comporte une étape préliminaire de fabrication du moule qui consiste à fabriquer le moule par fabrication additive par projection d’un liant par des têtes d’impression sur un lit de sable, ledit moule étant utilisé au cours de ladite étape de remplissage. Selon un mode de réalisation, le moule comporte une pluralité d’éléments de moulage qui sont adaptés pour être assemblés entre eux par coopération de forme pour former ledit moule. Selon un autre aspect de l’invention, celle-ci a trait à un système pour la mise en œuvre du procédé décrit précédemment, caractérisé en ce qu’il comporte au moins un moule réfractaire et un dispositif de fabrication additive qui comprend au moins un distributeur de matériau métallique qui est adapté pour déposer ledit matériau métallique dans le moule et au moins une source d’un flux d’énergie concentrée qui est adaptée pour faire fondre ledit matériau métallique simultanément à son dépôt dans le moule. Selon un mode de réalisation, le matériau métallique déposé dans le moule présente la forme d’un fil qui est fondu au moyen du flux d’énergie concentrée pour former un cordon de métal. Selon un mode de réalisation, le flux d’énergie concentrée est un arc électrique. brÈve description des figures D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description qui suit, en référence aux figures annexées, qui illustrent : : une vue schématique en section du procédé de fabrication additive d’une pièce tridimensionnelle métallique, mis en œuvre par un système comportant un moule réfractaire et un dispositif de fabrication additive, selon l’invention. Pour plus de clarté, les éléments identiques ou similaires sont repérés par des signes de référence identiques sur l’ensemble des figures. description DÉTAILLÉE d’un mode de rÉalisation La ( ) illustre un système 10 pour la mise en œuvre d’un procédé de fabrication additive d’une pièce 11 tridimensionnelle, selon l’invention. La fabrication additive, aussi appelée fabrication par impression 3D, regroupe les procédés de fabrication de pièces en volume par ajout de matière en couches successives depuis une modélisation tridimensionnelle, par opposition à la fabrication soustractive. Le système 10 comporte un moule 12 réfractaire et un dispositif de fabrication additive 14 qui comprend un distributeur 16 de matériau métallique 18 et une source 20 d’un flux d’énergie concentrée 22 qui est adaptée pour faire fondre le matériau métallique 18 . Le distributeur 16 de matériau métallique 18 est adapté pour déposer le matériau métallique 18 dans le moule 12 . A cet effet, le distributeur 16 et la source 20 du flux d’énergie concentrée 22 sont entraînés en déplacement par un actionneur (non représenté), par exemple un bras robotisé, qui permet de déposer le matériau métallique 18 suivant la modélisation tridimensionnelle de la pièce 11 à fabriquer. A titre non limitatif, l’ensemble formé par le distributeur 16 et la source 20 du flux d’énergie concentrée 22 peut être entraîné en déplacement manuellement. Comme on peut le voir à la ( ), le moule 12 comporte un élément de moulage supérieur 12a et un élément de moulage inférieur 12b qui sont adaptés pour être assemblés entre eux par coopération de forme, pour former le moule 12 . Le procédé de fabrication additive selon l’invention comprend une étape préliminaire de fabrication du moule 12 qui consiste à fabriquer le moule 12 par fabrication additive par projection d’un liant par des têtes d’impression sur un lit de sable. Ce type de fabrication additive est aussi appelé « fabrication additive par jet d’encre sable » ou encore « impression 3D sable », elle consiste à construire couche par couche une pièce en utilisant un liant pour solidariser les grains de sable, pour obtenir un moule en sable sans outillage à partir de sa seule définition géométrique numérique. À titre non limitatif, il est possible de réaliser un noyau en sable si la pièce à réaliser au cours du procédé de fabrication est une pièce creuse. On entend par « sable » une charge sous forme de grains ou de poudre, qui est en mullite selon un exemple de réalisation préféré de l’invention. La mullite est un silicate d'aluminium qui présente l’avantage d’être réfractaire et qui est particulièrement adaptée à la fabrication de moules de fonderie. Aussi, le liant qui permet de solidariser les grains de sable est par exemple une résine furanique. De plus, le procédé selon l’invention comprend une étape de remplissage qui consiste à déposer le matériau métallique 18 , au moyen du distributeur 16 associé, dans le moule 12 réalisé préalablement. Le matériau métallique 18 est fondu simultanément à sa dépose dans le moule 12 au moyen de la source 20 du flux d’énergie concentrée 22 . Le matériau métallique 18 déposé au cours de l’étape de remplissage présente la forme d’un fil qui est fondu au moyen du flux d’énergie concentrée 22 pour former un cordon de métal. Ainsi, la pièce 11 est réalisée par addition et par accumulation de cordons de métal. À titre non limitatif, la matière métallique 18 déposée au cours de l’étape de remplissage peut présenter la forme d’une poudre ou la forme d’un barreau de section quelconque. De préférence, le flux d’énergie concentrée 22 utilisée au cours de l’étape de remplissage est un arc électrique. À titre non limitatif, la source 20 du flux d’énergie concentrée 22 peut être un laser, un faisceau d’électrons ou un moyen d’échauffement de la matière par effet joule. Selon une variante de mise en œuvre du procédé selon l’invention, l’étape de remplissage comprend au moins successivement une première phase qui consiste à réaliser au moins en partie un contour de la pièce 11 à fabriquer par dépôt du métal en fusion et une seconde phase qui consiste à remplir le contour préalablement réalisé, par dépôt du métal en fusion. La variante de mise en œuvre du procédé en deux phases permet d’assurer la géométrie externe de la pièce 11 en contact direct avec la surface interne du moule 1 2 . Le procédé selon l’invention présente l’avantage de pouvoir être mis en œuvre de manière manuelle ou automatisée et permet de réaliser des pièces tridimensionnelles sans contrainte de dimensions maximum. De plus, l’utilisation d’un moule en association avec une fabrication additive par dépôt de matière permet d’éviter l’effondrement de la matière en fusion, qui est retenue par le moule. Ainsi, l’utilisation du moule permet de s’affranchir du temps de refroidissement de la matière déposée, ce qui améliore la productivité du procédé. Aussi, le procédé selon l’invention permet de générer tout type de forme sans parachèvement puisque l’état de surface est défini par la rugosité interne du moule. Enfin, le moule est de conception simple, c’est-à-dire qu’il ne comporte pas de dispositif assurant la qualité de la pièce moulée, car le bain de fusion formé par la matière en fusion n’est pas suffisamment volumineux pour générer des défauts du type défaut de fonderie. Toutefois, le moule peut être fonctionnalisé, pour apporter un gaz de protection par exemple. Naturellement, 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. Par exemple, le procédé selon l’invention peut s’appliquer à la fabrication d’une pièce ex nihilo ou à l’ajout d’une fonctionnalité sur une pièce existante. Il est souligné que toutes les caractéristiques, telles qu’elles se dégagent pour un homme du métier à partir de la présente description, des dessins et des revendications attachées, même si concrètement elles n’ont été décrites qu’en relation avec d’autres caractéristiques déterminées, tant individuellement que dans des combinaisons quelconques, peuvent être combinées à d’autres caractéristiques ou groupes de caractéristiques divulguées ici, pour autant que cela n’a pas été expressément exclu ou que des circonstances techniques rendent de telles combinaisons impossibles ou dénuées de sens. Procédé de fabrication additive d’une pièce (11) tridimensionnelle, caractérisé en ce qu’il comprend au moins une étape de remplissage qui consiste à déposer un matériau métallique (18) dans un moule (12) réfractaire au moyen d’un distributeur (16) et à faire fondre ledit matériau métallique (18) simultanément au moyen d’une source (20) d’un flux d’énergie concentrée (22). Procédé de fabrication additive selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau métallique (18) déposé au cours de l’étape de remplissage présente la forme d’un fil qui est fondu au moyen du flux d’énergie concentrée (22) pour former un cordon de métal. Procédé de fabrication additive selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le flux d’énergie concentrée (22) utilisée au cours de l’étape de remplissage est un arc électrique. Procédé de fabrication additive selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’étape de remplissage comprend au moins successivement une première phase qui consiste à réaliser au moins en partie un contour de la pièce (11) tridimensionnelle à fabriquer et une seconde phase qui consiste à remplir ledit contour préalablement réalisé. Procédé de fabrication additive selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comporte une étape préliminaire de fabrication du moule (12) qui consiste à fabriquer le moule (12) par fabrication additive par projection d’un liant par des têtes d’impression sur un lit de sable, ledit moule (12) étant utilisé au cours de ladite étape de remplissage. Procédé de fabrication additive selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moule (12) comporte une pluralité d’éléments de moulage (12a, 12b) qui sont adaptés pour être assemblés entre eux par coopération de forme pour former ledit moule (12). Système (10) pour la mise en œuvre du procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comporte au moins un moule (12) réfractaire et un dispositif de fabrication additive (14) qui comprend au moins un distributeur (16) de matériau métallique (18) qui est adapté pour déposer ledit matériau métallique dans le moule (12) et au moins une source (20) d’un flux d’énergie concentrée (22) qui est adaptée pour faire fondre ledit matériau métallique (18) simultanément à son dépôt dans le moule (12). Système (10) selon la revendication 7, caractérisé en ce que le matériau métallique (18) déposé dans le moule (12) présente la forme d’un fil qui est fondu au moyen du flux d’énergie concentrée (22) pour former un cordon de métal. Système (10) selon l’une quelconque des revendications 7 et 8, caractérisé en ce que le flux d’énergie concentrée (22) est un arc électrique.