Brevet FR3134734A1 — publié le 20231027

Selon un procédé de fabrication additive d’une pièce (2, 3, 4) par fusion laser de couches de poudre métallique, on utilise une poudre d’un alliage présentant une transformation de phase austénitique en phase martensitique à une température de transformation prédéterminée. On subdivise la pièce en au moins un premier et un deuxième volume (21, 22), on applique des premières conditions d’éclairement sur les zones destinées à former le premier volume (21) permettant d’obtenir un alliage avec une première température de transformation, on applique des deuxièmes conditions d’éclairement différentes des premières conditions d’éclairement sur les zones destinées à former le deuxième volume afin de modifier la composition chimique de l’alliage et d’obtenir une deuxième température de transformation dans le deuxième volume (22) différente de la première température de transformation. Figure pour l’abrégé : Fig. 1 Procédé de fabrication additive de pièces métalliques et pièces obtenues. L’invention concerne la fabrication additive par fusion de poudre métallique par laser, notamment pour des alliages aptes a avoir des propriétés de mémoire de forme, de pseudo-élasticité ou de superélasticité. Elle concerne également des pièces obtenues par ce procédé. Les alliages à mémoire de forme sont des matériaux dont la propriété active repose sur la possibilité d’un changement de phase à l’état solide, notamment une transformation dite martensitique dans laquelle de l’austénite se transforme en martensite. L’application d’un travail mécanique sur ces matériaux induit une déformation au passage de la phase austénitique à la phase martensitique. Dans un second temps, l’application d’un champ thermique permet de recouvrer la déformation grâce à la transformation inverse. On parle alors d’alliage à mémoire de forme. Les températures de transformation et les niveaux de contraintes nécessaire à la transformation martensitique sont directement fonctions de la composition chimique de l’alliage. La valeur de cette température a une influence directe sur les comportements mécaniques observés à une température donnée. On distingue trois types de comportement : • lorsque la température de travail est inférieure aux points de transformation : on parle d’effet mémoire thermo-activable, où l’application d’une contrainte induit une déformation par transformation de phase et pour laquelle l’apport de chaleur au-delà de la température de transformation permet de recouvrer la forme initiale ; • lorsque la température de travail est supérieure au point de transformation, l’alliage revient à une déformation nulle dans une phase austénitique lors du déchargement. On parle alors d’effet superélastique ; • pour une température de travail de l’ordre de la température de transformation, le changement de phase induit par l’application d’un travail est partiel, ce qui se traduit par un retour complet ou quasi complet au déchargement, mais à un niveau de contraintes beaucoup faible qu’au chargement, et où une importante partie du travail pour déformer le matériau est donc absorbée. On parle d’effet pseudo-élastique. Le contrôle du comportement obtenu est donc directement corrélé aux températures de transformation, elles-mêmes fonctions de la composition chimique de l’alliage. Et, pour une composition donnée, les trois comportements sont chacun associés à une gamme de température. On connaît la fabrication additive métallique selon laquelle on étale de fines couches successives de poudre métallique les unes sur les autres, et on déplace sélectivement le point d’impact d’un faisceau laser sur la dernière couche afin de fondre le métal et de l’agglomérer ainsi à la couche sous-jacente. On contrôle notamment l’épaisseur des couches, la puissance du laser, la vitesse de déplacement du point d’impact et l’écartement entre les passes successives du laser. À la fin des opérations, on retire la poudre non agglomérée et il subsiste une ou plusieurs pièces métalliques. Le choix des zones exposées au laser détermine la forme finale de la pièce. On peut ainsi construire des pièces métalliques avec de très bonnes propriétés mécaniques et une grande liberté dans les formes. On peut ainsi fabriquer notamment des implants prothétiques adaptés à chaque patient. Dans le document US 10,662,513 B2, on a proposé des implants réalisés par fabrication additive dans lesquels le volume est subdivisé en zones aux propriétés distinctes, notamment des zones superélastiques et des zones aux propriétés à mémoire de forme. Le comportement différent des zones est obtenu en déposant de la poudre de différentes compositions dans ces zones. La modulation de la composition ne peut se faire que par couche, ce qui ne permet pas de réaliser des pièces avec toute la liberté souhaitée au niveau de la répartition des zones aux propriétés différentes. L’invention vise à fournir un procédé de fabrication additive de pièces ayant de multiples propriétés avec toute la liberté de choix dans la répartition de ces zones. Elle vise également des pièces obtenues par ce procédé. Avec ces objectifs en vue, l’invention a pour objet un procédé de fabrication additive d’une pièce par fusion laser de couches de poudre métallique, selon lequel on utilise une poudre d’un alliage présentant une transformation de phase austénitique en phase martensitique à une température de transformation prédéterminée, le procédé étant caractérisé en ce qu’on subdivise la pièce en au moins un premier et un deuxième volume, on applique des premières conditions d’éclairement sur les zones destinées à former le premier volume permettant d’obtenir un alliage avec une première température de transformation, on applique des deuxièmes conditions d’éclairement différentes des premières conditions d’éclairement sur les zones destinées à former le deuxième volume afin de modifier la composition chimique de l’alliage et d’obtenir une deuxième température de transformation dans le deuxième volume différente de la première température de transformation. Les inventeurs se sont rendu compte qu’il était possible de régler en direct la teneur de l’alliage en ajustant l’éclairement laser sur la poudre pendant l’étape de fusion de celle-ci. Avec un éclairement juste nécessaire pour obtenir la fusion, la teneur des métaux de l’alliage ne bouge pas. Mais avec un éclairement plus dense en énergie, certains composants sont partiellement évaporés, ce qui modifie la composition chimique locale du matériau de la pièce fabriquée, et donc sa température de transformation martensitique, et donc ses propriétés. Avec la même poudre de départ, il est possible ainsi de moduler les propriétés de l’alliage dans toute partie de la pièce. Selon une disposition du procédé, les températures de transformation sont choisies pour obtenir au moins un premier et un deuxième volume avec au moins deux propriétés distinctes parmi la mémoire de forme, la superélasticité et la pseudo-élasticité. On peut ainsi combiner dans une même pièces des volumes ayant des propriétés distinctes. Selon une disposition, l’alliage de la poudre comprend entre 2 et 72 % de titane, le reste étant composé d’au plus 53 % de nickel, d’au plus 20 % de cuivre, d’au plus 20 % de cobalt, d’au plus 21 % de hafnium, d’au plus 34 % de zirconium, d’au plus 26 % de palladium, d’au plus 26 % de platine, d’au plus 42 % d’or, d’au plus 44 % de fer, d’au plus 10 % de vanadium, d’au plus 28 % de niobium, d’au plus 28 % de tantale et d’au plus 10 % d’aluminium, les teneurs étant atomiques. Selon un perfectionnement, la poudre est un alliage de titane et de nickel, la teneur en nickel étant inférieure à 55 %, de préférence inférieure à 52 % en rapport atomique. En fonction de l’éclairement, la teneur en nickel peut être abaissée. En partant d’une valeur à 55 %, pour laquelle l’alliage a une propriété de superélasticité, avec une température de transformation martensite vers ausénite finale inférieure à 0 °C, on peut passer à un matériau avec des propriétés pseudo-élastiques, avec une température de transformation martensite vers austénite finale comprise entre 0 °C et 15 °C, ou à un matériau avec des propriétés à mémoire de forme, avec une température de transformation martensite vers austénite finale supérieure à 15 °C. On peut partir d’une valeur de teneur en nickel inférieure à 52 % pour un matériau présentant de propriétés pseudo-élastiques et faire évoluer certaines zones en alliage à mémoire de forme. L’invention a aussi pour objet une pièce obtenue par le procédé tel que décrit précédemment. Dans un mode de réalisation, la pièce comporte un premier volume superélastique et un deuxième volume qui a des propriétés de pseudo-élasticité. La pièce a ainsi des propriétés de faible module d’Young, par exemple pour être en contact avec l’os pour favoriser la tenue de la liaison entre l’implant et l’os, le reste de la pièce ayant une plus forte résistance. Selon un autre mode de réalisation, la pièce comporte au moins un premier volume ayant des propriétés de pseudo-élasticitéde pseudo-élasticité, un deuxième volume ayant des propriétés de mémoire de forme et au moins un troisième volume ayant des propriétés de superélasticité. Selon un autre mode de réalisation, la pièce est un dispositif de pseudo-élasticité comportant un premier volume avec des propriétés de pseudo-élasticité s’étendant dans une direction longitudinale et au moins un deuxième volume s’étendant parallèlement au premier volume dans la direction longitudinale et ayant des propriétés de mémoire de forme. Selon un perfectionnement, un essai de calorimétrie différentielle à balayage conduit selon la norme ASTM-F2004, édition de 2017, sur la pièce met en évidence au moins deux températures de transformation finale de martensite vers austénite distinctes, l’une au moins des températures de transformation étant inférieure à 15 °C. Ce type d’essai permet de caractériser au plus précis les propriétés des alliages à mémoire de forme, et pas uniquement ceux en titane-nickel. Les transformations de phases sont mises en évidence par des quantifications de l’énergie nécessaire pour des montées ou des descentes en température Brève description des figures L’invention sera mieux comprise et d’autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, la description faisant référence aux dessins annexés parmi lesquels : la est une vue schématique en perspective d’une phase de fabrication de la pièce selon le procédé de l’invention ; la est un diagramme représentant la température de transformation martensitique en fonction de l’éclairement du laser ; la est une vue de côté d’une pièce conforme à un premier mode de réalisation de l’invention ; la est une vue similaire à la de la pièce dans un état compressé ; la est une vue en perspective d’une pièce conforme à un deuxième mode de réalisation de l’invention ; la est une vue de côté d’une pièce conforme à un troisème mode de réalisation de l’invention ; la est une vue similaire à la de la pièce dans un état déformé la est un diagramme d’essai de calorimétrie différentielle à balayage. Procédé de fabrication additive d’une pièce (2, 3, 4) par fusion laser de couches de poudre métallique, selon lequel on utilise une poudre d’un alliage présentant une transformation de phase austénitique en phase martensitique à une température de transformation prédéterminée, le procédé étant caractérisé en ce qu’on subdivise la pièce en au moins un premier et un deuxième volume (21, 22), on applique des premières conditions d’éclairement sur les zones destinées à former le premier volume (21) permettant d’obtenir un alliage avec une première température de transformation, on applique des deuxièmes conditions d’éclairement différentes des premières conditions d’éclairement sur les zones destinées à former le deuxième volume afin de modifier la composition chimique de l’alliage et d’obtenir une deuxième température de transformation dans le deuxième volume (22) différente de la première température de transformation. Procédé selon la revendication 1, selon lequel les températures de transformation sont choisies pour obtenir au moins un premier et un deuxième volume (21, 22) avec au moins deux propriétés distinctes parmi la mémoire de forme, la superélasticité et la pseudo-élasticité. Procédé selon l’une des revendications précédentes, selon lequel l’alliage de la poudre comprend entre 2 et 72 % de titane, le reste étant composé d’au plus 53 % de nickel, d’au plus 20 % de cuivre, d’au plus 20 % de cobalt, d’au plus 21 % de hafnium, d’au plus 34 % de zirconium, d’au plus 26 % de palladium, d’au plus 26 % de platine, d’au plus 42 % d’or, d’au plus 44 % de fer, d’au plus 10 % de vanadium, d’au plus 28 % de niobium, d’au plus 28 % de tantale et d’au plus 10 % d’aluminium, les teneurs étant atomiques. Procédé selon la revendication 3, dans lequel la poudre est un alliage de titane et de nickel, la teneur en nickel étant inférieure à 55 %, de préférence inférieure à 52 % en rapport atomique . Pièce caractérisée en ce qu’elle est obtenue par le procédé selon l’une des revendications 1 à 4. Pièce selon la revendication 5, caractérisée en ce qu’elle est comporte un premier volume superélastique et un deuxième volume qui a des propriétés de pseudo-élasticité. Pièce selon la revendication 5, caractérisée en ce qu’elle comporte au moins un premier volume (31) ayant des propriétés de pseudo-élasticité, un deuxième volume (32) ayant des propriétés de mémoire de forme et au moins un troisième volume (31) ayant des propriétés de superélasticité. Pièce selon la revendication 5, caractérisée en ce qu’elle est un dispositif de pseudo-élasticité comportant un premier volume (21) avec des propriétés de pseudo-élasticité s’étendant dans une direction longitudinale et au moins un deuxième volume (22) s’étendant parallèlement au premier volume dans la direction longitudinale et ayant des propriétés de mémoire de forme. Pièce selon l’une des revendications 5 à 8, dans laquelle un essai de calorimétrie différentielle à balayage sur la pièce met en évidence au moins deux températures de transformation distinctes, l’une au moins des températures de transformation étant inférieure à 15 °C.