Brevet FR3146824A1 — publié le 20240927

La présente invention concerne un procédé de fabrication additive d’une pièce, comprenant les étapes successives suivantes : - la formation d’une couche de poudre sur un support de construction, - la réalisation par un dispositif à haute énergie d’une étape de fusion dans laquelle on éclaire ladite couche de poudre ainsi formée au moyen d’au moins un faisceau et on déplace ledit au moins un faisceau pour former en chaque point de ladite couche un profil de température, comportant successivement : -- un premier gradient thermique positif G1 de préchauffage progressif de la poudre ; -- un pic de fusion de la poudre et -- un second gradient thermique négatif G2 de refroidissement progressif de la poudre. Figure de l’abrégé : Figure 2 Procédé de fabrication additive d’une pièce L’invention concerne le domaine de la fabrication additive. Plus précisément, l’invention concerne un dispositif de fabrication additive, ainsi qu’un procédé de fabrication d’au moins une pièce, mettant en œuvre ce dispositif. La fabrication additive est de plus en plus usitée dans le domaine aéronautique et tend à remplacer le procédé historique de fonderie. La méthode de réalisation de pièces par fabrication additive présente, en effet, de nombreux avantages en termes de propriétés mécaniques. La limite élastique est repoussée et la tenue en fatigue sur les matériaux polycristallins est améliorée. La taille de dendrites réalisées par fabrication additive est de l’ordre du micron alors qu’avec un procédé de fonderie, la taille de dendrites atteint une centaine de microns. Cela explique les avantages mécaniques conférés par la fabrication additive. En outre, l’absence de moule dans le cas de la fabrication additive autorise une réalisation de géométries plus complexes et avec un plus grand degré de liberté. Par fabrication additive, une fabrication de canaux internes est aussi plus aisée car ces canaux internes ne seront pas soumis à de fortes contraintes lors d’un démoulage, ce qui serait le cas avec un procédé de fonderie. Une méthode de fabrication additive consiste à fabriquer au moins une pièce, notamment une ou plusieurs pièce(s) métallique(s), par fusion de couches successives de poudre au moyen d'un faisceau laser commandé par un système de traitement de l'information dans lequel on a enregistré les coordonnées tridimensionnelles des points des couches successives à réaliser pour former lesdites pièces. La illustre un dispositif de fabrication 1 destiné à mettre en œuvre une telle méthode. Le dispositif de fabrication 1 comprend un réservoir 3 contenant une poudre métallique 5 et dont le fond 7 est mobile, déplaçable en translation verticalement par une tige 9 d'un vérin, et une cuve 11 voisine, sensiblement parallélépipédique, dont le fond est constitué par un plateau 13 mobile, déplaçable en translation verticalement par une tige 15 d'un second vérin. Le dispositif de fabrication 1 comporte en outre un racleur 17 permettant d'amener de la poudre du réservoir 3 vers la cuve 11, le racleur 17 étant mobile en translation le long d’un plan horizontal A sensiblement parallèle au plateau 13. Le dispositif de fabrication 1 comprend en outre des moyens de génération 18 d'un faisceau laser 19, couplés à un dispositif de déplacement 20 dudit faisceau laser 19 permettant de l'orienter et/ou de le déplacer pour atteindre n’importe quel point de la cuve 11. Pour fabriquer une ou plusieurs pièces 21, une première couche de poudre est disposée dans la cuve 11 à l’aide du racleur 17. La couche présente alors une surface inférieure correspondant à la surface du plateau 13 et une surface supérieure sur laquelle est dirigé et déplacé le faisceau laser 19. L'énergie apportée par ce faisceau provoque la fusion locale de la poudre qui, en se solidifiant, forme une première couche de la ou de chaque pièce 21. Après formation de cette première couche, le plateau 13 est descendu d’une distance correspondant à l’épaisseur d’une couche de poudre, tandis que le fond 7 du réservoir 3 est remonté d'une hauteur correspondante, pour qu'une certaine quantité de poudre 22 soit située au-dessus du plan horizontal A. Puis, cette quantité de poudre 22 est amenée par le racleur 17, depuis le réservoir 3 jusque dans la cuve 11, pour former une deuxième couche par-dessus la couche précédente. De la même manière que précédemment, une seconde couche de chaque pièce 21 est formée à l’aide du faisceau laser 19. La quantité de poudre et les positions du fond 7 et du plateau 13 sont déterminées de façon à former des couches de poudre d'une épaisseur choisie et constante. Ces opérations sont répétées jusqu’à fabrication complète des pièces 21. Aujourd’hui, les formes des faisceaux lasers employés sont simples. De ces formes de faisceaux laser simples résultent une fusion et une solidification très rapide de la couche de poudre. La répartition énergétique du faisceau laser sur la couche de poudre peut ne pas être homogène sur l’ensemble de la couche de poudre fusionnée. Le gradient thermique de la couche de poudre fondue et la vitesse de solidification de cette couche de poudre sont dès lors mal contrôlés et peuvent mener à une mauvaise tenue mécanique avec une microstructure cristalline inappropriée. Résumé La présente divulgation vient améliorer la situation et concerne un procédé de fabrication additive d’une pièce comprenant les étapes successives suivantes : - la formation d’une couche de poudre sur un support de construction, - la réalisation par un dispositif à haute énergie générant au moins un faisceau d’énergie d’une étape de fusion dans laquelle on éclaire ladite couche de poudre ainsi formée au moyen dudit au moins un faisceau et on déplace ledit au moins un faisceau pour former en chaque point de ladite couche un profil de température, comportant successivement : -- un premier gradient thermique positif G1 de préchauffage progressif de la poudre ; -- un pic de fusion de la poudre et -- un second gradient thermique négatif G2 de refroidissement progressif de la poudre, et en ce que, -- le profil de température et la vitesse de déplacement V de l’au moins un faisceau mobile à la surface du support de construction étant adaptés pour générer une microstructure cristalline équiaxe dendritique de ladite couche, et - le dépôt d’au moins une nouvelle couche de poudre sur la couche précédente et une répétition de l’étape de fusion précédente pour chaque nouvelle couche déposée jusqu’à obtenir ladite pièce. La présente divulgation permet de contrôler la température de la zone à solidifier en modifiant la forme du dépôt par le au moins un faisceau d’énergie. La zone irradiée par ledit au moins un faisceau reçoit une puissance variable. Le gradient thermique généré par ledit au moins un faisceau est maîtrisé par une source d’énergie adaptée et modulée. Le profil de température est plus étalé dans le temps que dans l’art antérieur, ce qui permet un meilleur contrôle de la microstructure cristalline et donc de fabriquer des pièces ayant une meilleure tenue mécanique. La taille des grains, comme la microstructure obtenue, dépend du gradient thermique et de la vitesse de solidification. Une augmentation du gradient thermique a pour conséquence d’augmenter la taille des grains par rapport à un état initial, sans ce gradient thermique. Donc le profil de température particulier de l’invention permet d’obtenir une microstructure cristalline équiaxe dendritique avec des grains de taille adaptée. Le dispositif à haute énergie peut émettre un seul faisceau à la surface dudit support de construction et on module la puissance dudit faisceau lors de son déplacement à la surface dudit support de construction. En n’utilisant qu’un seul faisceau, on augmente la facilité d’utilisation du dispositif à haute énergie. Le dispositif à haute énergie peut émettre simultanément plusieurs faisceaux ayant des puissances différentes. Le profil général de température peut ainsi être adapté en utilisant une pluralité de faisceaux laser avec des puissances adaptées en fonction de ce que l’opérateur a à sa disposition. N faisceaux peuvent être décalés temporellement d’un temps Ev N /V pour assurer la formation d’un gradient thermique G1 ou G2, où V est la vitesse de déplacement des N faisceaux et EV N peut être une distance séparant les pics de fusion de deux faisceaux successifs. Un diamètre de l’au moins un faisceau du dispositif à haute énergie peut être compris entre 20 μm et 500 μm. Une puissance de l’au moins un faisceau peut être comprise entre 50 W et 2000 W, plus particulièrement entre 50 et 1000W. La puissance de chauffe peut varier lors du premier gradient thermique G1 entre 0 et 100% de la puissance associée au pic de fusion P*. La puissance de refroidissement lors du second gradient thermique G2 peut être inférieure ou égale à la puissance associée au pic de fusion P*. Une épaisseur de la couche de poudre peut être comprise entre 10 μm et 120 μm, plus particulièrement entre 20 et 60 μm. Une vitesse de fusion de la couche de poudre peut être comprise entre 0,1 m.s -1 et 10 m.s -1 , plus particulièrement entre 0,1 m.s -1 et 2,8 m.s -1 . Le faisceau peut être un faisceau laser et/ou un faisceau d’électrons. D’autres caractéristiques, détails et avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-après, et à l’analyse des dessins annexés, sur lesquels : Fig. 1 montre un dispositif de fabrication additive, selon l’art antérieur. Fig. 2 montre, en haut, un support de construction de fabrication additive avec une couche de poudre incluant un point M par lequel passe une pluralité de faisceaux lasers, et, en bas, un profil de température généré par la pluralité de faisceaux lasers en trait plein et selon l’art antérieur en trait pointillés. Fig. 3 montre une prédiction d’une microstructure de la pièce fabriquée, selon l’invention, avec en axe des abscisses, un gradient thermique G en K/m appliqué à la pièce fabriquée et en axe des ordonnées, une vitesse de solidification Vs en m/s. Fig. 4 montre l’évolution de la largeur de la zone affectée thermique ZAT et de la zone fondue ZF en fonction de la température de chauffe de l’art antérieur, sans préchauffage. Fig. 5 montre l’évolution de la largeur de la zone affectée thermique ZAT et de la zone fondue ZF en fonction de la température de chauffe avec un premier gradient thermique positif G1 de préchauffage, selon l’invention. Il est maintenant fait référence à la . La représente schématiquement, en haut, un support de construction 24 de fabrication additive recevant une couche de poudre passant par un point M. Cette couche de poudre est fondue par un dispositif à haute énergie selon le procédé de la présente divulgation. Le dispositif à haute énergie émet un ou plusieurs faisceaux d’énergie tels que des faisceaux d’électrons, des faisceaux lasers L’exemple qui suit est décrit en considérant un dispositif laser en tant que dispositif à haute énergie mais d’autres types de dispositifs générant d’autres types de faisceaux peuvent être utilisés comme dit plus haut. La fusion de la couche de poudre est représentée au cours du temps. Quatre temps sont représentés : T, T+1, T+2, T+3. Un dispositif laser émet dix faisceaux lasers 26 mobiles à la surface du support de construction fusionnant la couche de poudre: quatre faisceaux laser successifs notés C, puis un faisceau laser noté B et enfin, cinq faisceaux laser notés A. Ces faisceaux laser 26 peuvent être de type gaussien. Les faisceaux lasers 26 sont configurés pour former, lors de leur déplacement en chaque point de la surface de la couche de poudre et notamment en M, un profil de température. Au temps T, le dispositif laser émet donc successivement quatre faisceaux lasers de puissances croissantes et inférieures à une puissance de fusion P* de la couche de poudre. Ces quatre faisceaux laser sont configurés pour former un premier gradient thermique positif G1 de préchauffage progressif de la couche de poudre. Ce premier gradient thermique permet de passer de 0 à 80% de la température de fusion en moins d’1 ms. Le premier gradient thermique positif G1 est visible sur le profil de température noté en trait plein, en dessous du support de construction représenté aux quatre temps T, T+1, T+2, T+3. Le profil de température représenté en pointillé est celui que l’on aurait sans l’invention. Le profil de température obtenu sans l’invention, en trait pointillé, est un profil gaussien caractéristique d’un seul faisceau laser. Au temps T+1, ce même dispositif laser émet un faisceau laser à une puissance de fusion P*. Ce faisceau laser est configuré pour former un pic de fusion de la couche de poudre. Ce pic de fusion est visible sur le profil de température en trait plein. Aux temps T+2 et T+3, le dispositif laser émet cinq fasceaux lasers notés A. Ces faisceaux laser ont une puissance décroissante et inférieure à P*. Les faisceaux lasers sont configurés pour former un second gradient thermique négatif G2 de refroidissement progressif de la couche de poudre. Ce second gradient thermique G2 permet de passer de la température de fusion à moins de 5% de la température de fusion en un temps d’environ 2.4 ms. Dans un mode de réalisation particulier, le dispositif laser émet un seul faisceau de puissance variable. Ce faisceau laser est configuré pour former un profil de température similaire à celui exposé dans la , en trait plein. Ce profil de température comporte successivement un premier gradient thermique positif G1 de préchauffage progressif de la couche de poudre, un pic de fusion de la couche de poudre et un second gradient thermique négatif G2 de refroidissement progressif de la couche de poudre. Dans un mode de réalisation particulier, le dispositif laser émet simultanément plusieurs faisceaux lasers ayant des puissances différentes. Le dispositif laser peut émettre C n faisceaux laser avec n>1 configurés pour former un profil de température comportant un premier gradient thermique positif G1 de préchauffage progressif de la couche de poudre. Ces C n faisceaux laser ont des puissances variant de 0 à 100% de la puissance de fusion P*, avec P Cn ≤ P*. Le dispositif laser peut émettre un faisceau laser B configuré pour former un pic de fusion de la couche de poudre. Ce faisceau laser B a une puissance égale à la puissance de fusion P*. Le dispositif laser peut émettre A n faisceaux laser avec n>1 configurés pour former un profil de température comportant un second gradient thermique négatif G2 de refroidissement progressif de la couche de poudre. Ces A n faisceaux laser ont des puissances variant de 0 à 100% de la puissance de fusion P* avec P A n ≤ P*. Le temps entre les passages des faisceaux lasers suit la formule suivante : , où Lb représente une largeur de bande et V une vitesse fixée par l’opérateur, identique pour toutes les couches de poudre. Dans un mode de réalisation particulier, la puissance de l’au moins un faisceau laser est comprise entre 50 W et 2000 W, plus particulièrement entre 50 et 1000W. Une épaisseur de la couche de poudre est comprise entre 10 μm et 120 μm, plus particulièrement entre 20 et 60 μm. Une vitesse de fusion de la couche de poudre est comprise entre 0,1 m.s -1 et 10 m.s -1 , plus particulièrement entre 0,1 m.s -1 et 2,8 m.s -1 . Dans un mode de réalisation particulier, dix faisceaux lasers peuvent être émis avec les puissances suivantes : P 1 = 50W, P 2 = 70W, P 3 = 90W, P 4 = 100W, P 5 = 250W, P 6 = P* = 370W, P 7 = 200W, P 8 = 150W, P 9 = 100W, P 10 = 50W, Où P n est la puissance associée au n ième faisceau laser. Il est maintenant fait référence à la . La représente une prédiction d’une microstructure de la pièce fabriquée avec le procédé de la présente divulgation. L’axe des abscisses représente un gradient thermique G en K/m 30 appliqué à la pièce fabriquée et l’axe des ordonnées représente une vitesse de solidification Vs en m/s 28. Selon la position dans ce graphique, la microstructure de la pièce fabriquée peut être soit plane 32, cellulaire 34, à colonne dendritique 36 ou équiaxe dendritique 38. Deux courbes sont représentées. La courbe, en haut, représentant un taux de refroidissement plus élevé 40, passe d’une microstructure planaire à une microstructure cellulaire puis à colonne dendritique. En revanche, la courbe du bas, représentant un taux de refroidissement plus lent 42, passe d’une microstructure planaire à une microstructure équiaxe dendritique. Donc le profil de température et la vitesse de déplacement V des faisceaux laser mobiles à la surface du support de construction sont adaptés pour générer une microstructure cristalline équiaxe dendritique alors que dans l’art antérieur, une microstructure cristalline cellulaire est obtenue. Il est maintenant fait référence aux figures 4 et 5. La représente l’évolution de la largeur 42 de la zone affectée thermique ZAT et de la zone fondue ZF en fonction de la température de chauffe 44 de l’art antérieur, sans préchauffage. La représente l’évolution de la largeur 46 de la zone affectée thermique ZAT et de la zone fondue ZF en fonction de la température de chauffe 48 avec un premier gradient thermique positif G1 de préchauffage, selon l’invention. On constate que la ZAT obtenue est plus large dans le cas où l’on effectue un préchauffage, selon l’invention. Le préchauffage de la poudre permet de diminuer l’énergie nécessaire pour fabriquer la pièce en diminuant la différence de température entre la ZF et la fin de la ZAT. La présente invention concerne donc un procédé de fabrication additive d’une pièce, mettant en œuvre un dispositif à haute énergie du type précité, le procédé comprenant les étapes successives suivantes : - formation d’une couche de poudre sur un support de construction, - réalisation par un dispositif à haute énergie d’une étape de fusion dans laquelle on éclaire ladite couche de poudre ainsi formée au moyen d’au moins un faisceau d’énergie tel que faisceau d’électrons ou un faisceau laser et on déplace ledit au moins un faisceau pour former en chaque point de ladite couche un profil de température, comportant successivement : -- un premier gradient thermique positif G1 de préchauffage progressif de la poudre ; -- un pic de fusion de la poudre et -- un second gradient thermique négatif G2 de refroidissement progressif de la poudre, et en ce que, -- le profil de température et la vitesse de déplacement V de l’au moins un faisceau mobile à la surface du support de construction étant adaptés pour générer une microstructure cristalline équiaxe dendritique de ladite couche, et - déposer au moins une nouvelle couche de poudre sur la couche précédente et répéter l’étape de fusion précédente pour chaque nouvelle couche déposée jusqu’à obtenir ladite pièce. Dans un mode de réalisation particulier, la pluralité de N faisceaux laser, où N = C n ou N = A n , sont décalés temporellement d’un temps Ev N /V pour assurer la formation d’un gradient thermique G1 dans le cas des C n faisceaux laser ou G2 dans le cas des A n faisceaux laser, où V est la vitesse de déplacement des N faisceaux laser et EV N est une distance séparant les pics de fusions de deux faisceaux laser successifs. On varie le diamètre de l’au moins un faisceau du dispositif au cours de la formation de la pièce entre 20 μm et 500 μm Dans un mode de réalisation particulier, un seul faisceau est émis à la surface dudit support de construction. On module la puissance dudit faisceau lors de son déplacement à la surface dudit support de construction. Procédé de fabrication additive d’une pièce comprenant les étapes successives suivantes : - la formation d’une couche de poudre sur un support de construction, - la réalisation par un dispositif à haute énergie générant au moins un faisceau d’énergie d’une étape de fusion dans laquelle on éclaire ladite couche de poudre ainsi formée au moyen dudit au moins un faisceau et on déplace ledit au moins un faisceau pour former en chaque point de ladite couche un profil de température, comportant successivement : -- un premier gradient thermique positif G1 de préchauffage progressif de la poudre ; -- un pic de fusion de la poudre et -- un second gradient thermique négatif G2 de refroidissement progressif de la poudre, et en ce que, -- le profil de température et la vitesse de déplacement V de l’au moins un faisceau mobile à la surface du support de construction étant adaptés pour générer une microstructure cristalline équiaxe dendritique de ladite couche, et - le dépôt d’au moins une nouvelle couche de poudre sur la couche précédente et une répétition de l’étape de fusion précédente pour chaque nouvelle couche déposée jusqu’à obtenir ladite pièce. Procédé de fabrication additive selon la revendication 1, dans lequel le dispositif à haute énergie émettant un seul faisceau à la surface dudit support de construction, on module la puissance dudit faisceau lors de son déplacement à la surface dudit support de construction. Procédé de fabrication additive selon la revendication 1, dans lequel le dispositif à haute énergie émet simultanément plusieurs faisceaux ayant des puissances différentes. Procédé de fabrication additive selon la revendication 3, dans lequel N faisceaux (26) sont décalés temporellement d’un temps Ev N /V pour assurer la formation d’un gradient thermique G1 ou G2, où V est la vitesse de déplacement des N faisceaux et EV N est une distance séparant les pics de fusion de deux faisceaux successifs. Procédé de fabrication additive selon l’une des revendications précédentes, dans lequel un diamètre de l’au moins un faisceau du dispositif à haute énergie est compris entre 20 μm et 500 μm. Procédé de fabrication additive selon l’une des revendications précédentes, dans lequel une puissance de l’au moins un faisceau est comprise entre 50 W et 2000 W, plus particulièrement entre 50 et 1000W. Procédé de fabrication additive selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la puissance de chauffe varie lors du premier gradient thermique G1 entre 0 et 100% de la puissance associée au pic de fusion P*. Procédé de fabrication additive selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la puissance de refroidissement lors du second gradient thermique G2 est inférieur ou égal à la puissance associée au pic de fusion P*. Procédé de fabrication additive selon l’une des revendications précédentes, dans lequel une épaisseur de la couche de poudre est comprise entre 10 μm et 120 μm, plus particulièrement entre 20 et 60 μm. Procédé de fabrication additive selon l’une des revendications précédentes, dans lequel une vitesse de fusion de la couche de poudre est comprise entre 0,1 m.s -1 et 10 m.s -1 , plus particulièrement entre 0,1 m.s -1 et 2,8 m.s -1 .