Brevet FR3135637A1 — publié le 20231124

L’invention concerne un procédé pour le contrôle des conditions de dépôt de matière en fabrication additive, sur une surface d’une pièce, par la fusion d’un fil métallique (111) dans un cordon de dépose, comprenant des étapes consistant à : i) obtenir une longueur de sortie de fil théorique ; ii) amener le fil (111) à travers la buse (115) vers la surface de la pièce : iii) détecter l’apparition de l’arc (121) entre la pièce et le fil et déclencher l’acquisition d’image de la caméra (160) ; iv) traiter l’image fournie par la caméra (160) et mesurer une longueur de sortie de fil (303) ; v) comparer la longueur de sortie de fil (303) mesurée avec la longueur de sortie de fil théorique ; caractérisé en ce qu’il comprend une étape consistant à : vi) ajuster un apport de chaleur en fonction du résultat de l’étape v). Dispositif et procédé pour le contrôle d’un apport de matière en fabrication additive L’invention concerne un dispositif et un procédé pour le contrôle d’un apport de matière en fabrication additive. L’invention appartient au domaine de la fabrication additive. Plus particulièrement l’invention appartient au domaine de la fabrication additive où un apport de matière est réalisé par le dépôt d’une matière en fusion. L’invention vise à contrôler les paramètres opérationnels d’une opération de fabrication additive par apport d’une matière en fusion, de sorte à adapter ces paramètres opérationnels en cours d’opération, pour conserver cet apport dans des conditions acceptables afin d’éviter l’apparition de défauts. L’invention est plus particulièrement, mais non exclusivement, adaptée à une opération de fabrication additive par fusion de fil. La fabrication additive, aussi désignée par les termes « d’impression 3D », consiste notamment à réaliser un apport de matière par lignes de dépôt, issues d’un dispositif d’apport de matière dont les déplacements sont pilotés dans l’espace selon des trajectoires programmées, pour obtenir un objet de forme tridimensionnelle définie. Plus particulièrement pour la réalisation d’un objet constitué d’un matériau métallique, les lignes de dépôt sont obtenues par la fusion d’un apport métallique solide continu dudit métal. À titre d’exemple cet apport est réalisé par un fil mis en fusion par la création d’un arc électrique entre ledit fil et la pièce en cours de fabrication, par exemple au moyen d’une torche MIG. L’arc électrique provoque à la fois la fusion du fil et celle d’une couche de matière plus ou moins profonde et étendue dans le substrat sur lequel le dépôt de matière est réalisé. Ainsi, il est nécessaire d'adapter les paramètres de dépose afin d’obtenir une bonne cohésion du dépôt avec le substrat et d’éviter les manques de matière, tout en évitant l'effondrement des couches de dépôt précédentes, plus particulièrement, mais non exclusivement, pour la réalisation de pièces de grandes dimensions. De plus le contrôle de la forme du cordon de dépose, hauteur et largeur, prend une importance particulière dans le cadre de la fabrication additive par dépôts successifs comparativement à une opération de soudure simple, Par suite, si les techniques de soudage de type MIG sont bien maîtrisées dans le cadre d’opérations de soudure, l’adaptation de ce procédé à des opérations de fabrication additive utilisant des cordons de dépose superposés nécessite un contrôle beaucoup plus fin et réactif des paramètres de dépose. Le document US11027332 décrit un procédé de fabrication additive dans lequel l’apport de matière est réalisé par la fusion d’un fil métallique au moyen d’un faisceau d’électrons. Une caméra infrarouge mesure en temps réel la température du bain de fusion, la température après solidification, et utilise ces mesures pour piloter en temps réel les conditions de dépôt de matière, notamment en comparant le profil de distribution de température à un profil dit idéal. Les document US2021/0191363 décrit un procédé de fabrication additive dans lequel l’apport de matière et réalisé par la fusion d’un fil au moyen d’un laser. Plusieurs paramètres sont mesurés au cours de la fabrication, dont la température au point de dépose, et sont traités via un réseau de neurones préalablement entraîné, afin d’apporter, le cas échéant, les corrections nécessaires aux paramètres de mise en œuvre du procédé, pour atteindre un objectif prédéfini. Ces dispositifs de l’art antérieur sont toutefois complexes de mise en œuvre. Dans l’exemple d’un apport de matière par fusion d’un fil au moyen d’une torche de soudage de type MIG, les plages adaptées des paramètres de dépôt sont déterminables a priori, par exemple à partir d’essais, notamment l’ampérage d’alimentation ou la vitesse de déplacement de la torche. Il subsiste néanmoins de nombreuses sources de variation susceptibles d’influencer le résultat final, notamment et sans prétention d’exhaustivité, le diamètre réel du fil d’apport, la composition des matières constituant le substrat et le fil d’apport, la température de la matière sur laquelle le dépôt est réalisé, la température extérieure, l’hygrométrie etc. Il est difficile, voire impossible, de connaître avec précision l’influence de ces facteurs de variation pris seuls ou en combinaison, de sorte que même si ceux-ci sont mesurés en cours de procédé, ledit procédé ne peut être piloté en conséquence, d’autant plus que le nombre de paramètres pilotables est limité. L’invention vise à résoudre les insuffisances exposées ci-avant et concerne à cette fin un procédé pour le contrôle des conditions de dépôt de matière en fabrication additive, sur une surface d’une pièce, par la fusion d’un fil métallique dans un cordon de dépose au moyen d’un dispositif comprenant : - une buse par laquelle le fil est apporté, selon une vitesse instantanée de sortie de fil, vers une zone de dépôt sur la surface de la pièce ; - un poste de soudure comprenant des moyens d’alimentation électrique pour créer un arc électrique entre le fil et la surface de la pièce dans la zone de dépôt selon une puissance variable et pilotable, et ; - des moyens pour déplacer la buse dans l’espace relativement à la surface de la pièce selon une position et une vitesse d’avance ; - un directeur de commande numérique apte à piloter la puissance délivrée par les moyens d’alimentation électrique (120), la vitesse d’avance et la position de la buse dans l’espace ; - une première caméra (160) focalisée sur la buse et la zone de dépôt (150), apte à acquérir une image du fil selon une fréquence d’acquisition t des moyens de traitement d’image associés ; - des moyens aptes à détecter l’arc électrique ans la zone de dépôt (150) et à déclencher une acquisition d’image de la caméra ; le procédé comprenant des étapes consistant à : i) obtenir une longueur de sortie de fil théorique ; ii) amener le fil à travers la buse vers la surface de la pièce : iii) détecter l’apparition de l’arc entre la pièce et le fil et déclencher l’acquisition d’image de la caméra ; iv) traiter l’image fournie par la caméra et mesurer une longueur de sortie de fil ; v) comparer la longueur de sortie de fil mesurée avec la longueur de sortie de fil théorique ; le procédé comprenant une étape consistant à : vi) ajuster un apport de chaleur en fonction du résultat de l’étape v). Ainsi le procédé objet de l’invention permet de contrôler la longueur de sortie de fil en temps réel et notamment en fonction des variations de trajectoires ce paramètre influençant les conditions de dépose de la matière et notamment la santé de la matière dans la zone de dépôt. L’invention est mise en œuvre selon les modes de réalisation et les variantes exposées ci-après lesquelles sont à considérer individuellement ou selon toute combinaison techniquement opérante. Avantageusement, le procédé comprend une étape consistant à déterminer une température maximale de la surface de dépose avant dépose et le dispositif comprend un pyromètre, le procédé comprenant des étapes consistant à mesurer une température de la surface de la pièce dans la zone de dépôt avant l’étape ii) et comprenant une étape vii) de pause (552) de l’apport de chaleur pour obtenir un refroidissement de la surface de dépose jusqu’à une température inférieure à la température maximale. Avantageusement, le procédé comprend une étape consistant à déterminer des températures cibles de la surface de dépose et le dispositif comprend un inducteur à la sortie de la buse apte à chauffer la surface de dépose le procédé comprenant avant l’étape ii) des étapes consistant à : - mesurer une température la surface de dépose au moyen du pyromètre ; - chauffer la surface de dépose au moyen de l’inducteur pour atteindre les températures cibles. Selon une variante de réalisation, compatible avec ce dernier mode de réalisation, le procédé comprend des étapes consistant à : - obtenir une température minimale du bain de fusion (151) - mesurer la température du bain de fusion au moyen du premier pyromètre - chauffer ledit bain de fusion au moyen de l’inducteur si la température ainsi mesurée est inférieure à la température minimale du bain de fusion. Ces modes de réalisation ajoutent des contrôles supplémentaires pour rester dans des conditions optimales de dépose, Selon un mode de réalisation perfectionné, le dispositif comprend une deuxième caméra apte à capturer une image du cordon de dépose dans la zone de dépôt et dans lequel la forme du cordon de dépose est caractérisée par une hauteur selon un axe d’élévation sensiblement perpendiculaire à la surface de dépose et une largeur selon un axe d’étalement sensiblement parallèle à la surface de dépose, un deuxième pyromètre apte à mesurer la température de la surface de dépose, le procédé comprenant avant l’étape vi) les étapes consistant à : - acquérir une image du cordon de dépose dans la zone de dépôt au moyen de la deuxième caméra ; - mesurer la largeur du cordon de dépose ; - et l’étape vi) comprend l’ajustement d’au moins un paramètre parmi, une puissance délivrée par le poste de soudure, la vitesse d’avance et la vitesse instantanée de sortie de fil. Ce mode de réalisation, ajoute un contrôle direct du cordon de dépose et un asservissement des paramètres de pilotage à ce contrôle. Avantageusement, l’étape vi) comprend des étapes consistant à : - si la largeur du cordon de dépose est supérieure à une proportion définie de la hauteur dudit cordon de dépose, mettre en pause le procédé et mesurer au moyen du deuxième pyromètre la température de la surface de dépose ; - reprendre le procédé lorsque la température de la surface de dépose descend au-dessous de la valeur de température maximale. Ce mode de réalisation assure des conditions des bases pour la réalisation de l’opération de fabrication additive dans des conditions adaptées. Dans un perfectionnement de ce mode de réalisation l’étape vi) comprend les étapes consistant à : - si la hauteur mesurée du cordon de dépose est inférieure à une hauteur visée, réduire l‘apport de chaleur jusqu’à atteindre la hauteur visée ; - si la hauteur mesurée du cordon de dépose est supérieure à la hauteur visée, augmenter l’apport de chaleur la puissance délivrée par le poste de soudure et réduire la température du fil jusqu’à atteindre la hauteur visée. Ce mode de réalisation permet d’asservir les paramètres de pilotage à la mesure pour viser des conditions optimales de dépose à tout instant. Selon un mode de réalisation, le dispositif comprend un profilomètre apte à mesurer un état de surface d’une surface latérale à la surface de dépose et des moyens de mémoire, et qui comprend une étape consistant à enregistrer ledit état de surface avec la position de la buse et les enregistrer dans les moyens de mémoire Avantageusement le profilomètre est utilisé pour acquérir un profil du cordon de dépose. Ce mode de réalisation permet notamment d’utiliser les informations enregistrées pour prévoir des opérations ultérieures de finition. Avantageusement, le déclenchement de l’acquisition d’image au cours de l’étape iii) est retardé par rapport à la détection de l’arc. Ce retard permet d’observer le plasma entre le fil et la pièce sans que la première caméra ne soit éblouie par l’arc initial d’amorçage Selon un mode de réalisation avantageux, le dispositif comprend un jeu de miroirs aptes à renvoyer une pluralité d’images de la zone de dépôt selon plusieurs angles via des trajets optiques, les étapes iv) et v) du procédé étant mises en œuvre sur la pluralité d’images. Avantageusement, le jeu de miroirs est adapté de sorte que les trajets optiques correspondant à chaque image de la pluralité ont la même longueur. Avantageusement, le dispositif comprend un moniteur et que l’image acquise par la caméra (160) est affichée sur ledit moniteur. Ce mode de réalisation permet à un opérateur, notamment un opérateur expérimenté, un suivi visuel en temps réel des conditions de dépose lui permettant ainsi d’ajuster manuellement certains paramètres pour s’approcher des meilleures conditions de dépose. Avantageusement, le dispositif mettant en œuvre le procédé objet de l’invention comprend un ordinateur avec des moyens de mémoire, apte à mettre en œuvre les étapes i) à vi) par l’exécution d’un programme compris dans les moyens de mémoire, ledit programme comprenant un réseau de neurones pour la mise en œuvre de l’étape vi). L’invention est mise en œuvre selon les modes de réalisations préférés exposés ci-après, nullement limitatifs, et en référence aux figures 1 à 8 dans lesquelles : représente selon une vue schématique en perspective d’un exemple de réalisation d’un dispositif pour la mise en œuvre du procédé objet de l’invention ; est une vue en coupe AA définie , d’un exemple de réalisation du dispositif pour la mise en œuvre du procédé objet de l’invention ; montre de manière schématique l’image vue par la caméra de la en cours de mise en œuvre du procédé de fabrication additive ; représente selon la même vue que la un mode de réalisation mettant en œuvre une deuxième caméra ; est un synoptique montrant les modes d’actions possibles sur les paramètres en fonction de la forme mesurée du cordon de dépose ; représente selon la même vue que les figures 2 et 4 un exemple de réalisation mettant en œuvre un profilomètre. montre en vue de dessus schématique un exemple de réalisation dans lequel une pluralité de miroirs permet une vision de la zone de dépôt selon différents angles est une vue de principe en perspective d’une opération de fabrication additive Procédé pour le contrôle des conditions de dépôt de matière en fabrication additive, sur une surface d’une pièce, par la fusion d’un fil métallique (111) dans un cordon de dépose au moyen d’un dispositif comprenant : - une buse (115) par laquelle le fil est apporté, selon une vitesse instantanée de sortie de fil, vers une zone de dépôt (152) sur une surface de dépose (150) sur la surface de la pièce ; - un poste de soudure (120) comprenant des moyens d’alimentation électrique pour créer un circuit et un arc électrique (121) entre le fil et la surface de dépôt (150) selon une puissance variable et pilotable, et ; - des moyens pour déplacer la buse dans l’espace relativement à la surface de la pièce selon une position et une vitesse d’avance ; - un directeur de commande numérique (190) apte à piloter, la puissance délivrée par les moyens d’alimentation électrique (120), la vitesse d’avance et la position de la buse (115) dans l’espace ; - une première caméra (160) focalisée sur la buse et la zone de dépôt (152), apte à acquérir une image du fil selon une fréquence d’acquisition et des moyens de traitement d’image (170) associés ; - des moyens (260) aptes à détecter l’arc électrique (121) dans la zone de dépôt (152) et à déclencher une acquisition d’image de la caméra (160) ; le procédé comprenant des étapes consistant à : i) obtenir une longueur de sortie de fil théorique ; ii) amener le fil (111) à travers la buse (115) vers la surface de la pièce : iii) détecter l’apparition de l’arc (121) entre la pièce et le fil et déclencher l’acquisition d’image de la caméra (160) ; iv) traiter l’image fournie par la caméra (160) et mesurer une longueur de sortie de fil (303) ; v) comparer la longueur de sortie de fil (303) mesurée avec la longueur de sortie de fil théorique ; caractérisé en ce qu’il comprend une étape consistant à : vi) ajuster un apport de chaleur en fonction du résultat de l’étape v). Procédé selon la revendication 1, comprenant une étape consistant à déterminer une température maximale de la surface de dépose avant dépose et dans lequel le dispositif comprend un pyromètre (262), le procédé comprenant des étapes consistant à mesurer une température de la surface de la pièce dans la zone de dépôt (152) avant l’étape ii) et qu’il comprend une étape vii) de pause de l’apport de chaleur pour obtenir un refroidissement de la surface de dépose jusqu’à une température inférieure à la température maximale. Procédé selon la revendication 2, comprenant une étape consistant à déterminer des températures cibles de la surface de dépose et dans lequel le dispositif comprend un inducteur (222) à la sortie de la buse (115) apte à chauffer la surface de dépose (150), le procédé comprenant avant l’étape ii) des étapes consistant à : - mesurer une température de la surface de dépose au moyen du pyromètre (262) ; - chauffer (551) la surface de dépose au moyen de l’inducteur pour atteindre les températures cibles. Procédé selon la revendication 3, comprenant des étapes consistant à : - obtenir une température minimale d’un bain de fusion (151) - mesurer la température du bain de fusion au moyen du premier pyromètre (262) - chauffer ledit bain de fusion au moyen de l’inducteur si la température ainsi mesurée est inférieure à la température minimale du bain de fusion Procédé selon la revendication 4, dans lequel le dispositif comprend une deuxième caméra (460) apte à capturer une image du cordon de dépose (210) dans la zone de dépôt (152) et dans lequel la forme du cordon de dépose est caractérisée par une hauteur (211) selon un axe d’élévation sensiblement perpendiculaire à la surface de dépose et une largeur (212) selon un axe d’étalement sensiblement parallèle à la surface de dépose, un deuxième pyromètre (462) apte à mesurer la température de la surface de dépose, le procédé comprenant avant l’étape vi) les étapes consistant à : - acquérir une image du cordon de dépose (210) dans la zone de dépôt (152) au moyen de la deuxième caméra (460) ; - mesurer la largeur (212) du cordon de dépose (210) ; - et l’étape vi) comprenant l’ajustement d’au moins un paramètre parmi, une puissance délivrée par le poste de soudure (120) , la vitesse d’avance et la vitesse instantanée de sortie de fil. Procédé selon la revendication 5, dans lequel l’étape vi) comprend des étapes consistant à : - si la largeur (212) du cordon de dépose est supérieure à une proportion définie de la hauteur (211) du cordon de dépose, mettre en pause (552) le procédé et mesurer au moyen du deuxième pyromètre (462) la température de la surface de dépose (150) ; - reprendre le procédé lorsque la température de la surface de dépose (150) descend au-dessous de la valeur de température maximale. Procédé selon la revendication 6, dans lequel l’étape vi) comprend les étapes consistant à : - si la hauteur mesurée (211) du cordon de dépose (210) est inférieure à une hauteur visée, réduire (550) l‘apport de chaleur jusqu’à atteindre la hauteur visée ; - si la hauteur mesurée (211) du cordon de dépose (210) est supérieure à la hauteur visée, augmenter l’apport de chaleur (560) la puissance délivrée par le poste de soudure et réduire la température du fil (561) jusqu’à atteindre la hauteur visée. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le dispositif comprend un profilomètre (660) apte à mesurer un état de surface d’une surface latéral à la surface de dépose et des moyens de mémoire, comprenant une étape consistant à enregistrer ledit état de surface avec la position de la buse dans les moyens de mémoire. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le déclenchement de l’acquisition d’image au cours de l’étape iii) est retardé par rapport à la détection de l’arc. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le dispositif comprend un jeu de miroirs (751… 756) aptes à renvoyer une pluralité d’images de la zone de dépôt (152) selon plusieurs angles via des trajets optiques (791… 794), les étapes iv) et v) du procédé étant mises en œuvre sur la pluralité d’images. Procédé selon la revendication 10, dans lequel le jeu de miroirs est adapté de sorte que les trajets optiques (791… 794) correspondant à chaque image de la pluralité ont la même longueur Procédé selon la revendication 1, dans lequel le dispositif comprend un moniteur et que l’image acquise par la caméra (160) est affichée sur ledit moniteur. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le dispositif comprend un ordinateur (170) avec des moyens de mémoire, apte à mettre en œuvre les étapes i) à vi) par l’exécution d’un programme compris dans les moyens de mémoire, ledit programme comprenant un réseau de neurones pour la mise en œuvre de l’étape vi).