Brevet FR3149224A1 — publié le 20241206

Procédé de découpe, soudage, rechargement ou fabrication additive métallique par faisceau laser à inertage amélioré, Installation avec système d’inertage associée. L’invention concerne un procédé de découpe, soudage, rechargement ou fabrication additive par faisceau laser, comprenant les étapes suivantes : a/ réalisation au sein d’une enceinte d’inertage, sous atmosphère inerte, d’au moins une découpe, au moins un soudage, au moins un rechargement ou au moins une fabrication additive d’une pièce mettant en œuvre au moins un faisceau laser dirigé vers une zone dans laquelle la pièce est définie; b/ injection d’un gaz d’inertage dans l’enceinte, vers la zone ; c/ aspiration du gaz injecté, susceptible d’être porteur de poussière(s) et/ou de fumée(s) issue(s) de l’étape a/, en dehors de l’enceinte. Figure pour l’abrégé : Fig. 1 Procédé de découpe, soudage, rechargement ou fabrication additive métallique par faisceau laser à inertage amélioré, Installation avec système d’inertage associée. La présente invention concerne principalement le domaine de la fabrication additive métallique. Plus particulièrement, l’invention a trait à une amélioration de l’inertage lors d’un procédé de fabrication additive mettant en œuvre un faisceau laser. Bien que décrite en particulier en référence à un procédé de fabrication additive métallique par laser avec apport de fil, d’acronyme anglo-saxon WLAM pour « Wire Laser Additive Manufacturing » l’invention concerne de manière plus générale tout procédé de découpe de soudage, de rechargement, de fabrication additive métallique, par faisceau laser dans tous les domaines industriels, d’ingénieries et de fabrications de pièces, notamment dans le domaine nucléaire. Le procédé WLAM est un procédé relativement récent en cours de développement. Un tel procédé permet de concevoir des pièces ou des formes à partir d’un logiciel de dessin. Une pièce est produite par strates de façon à obtenir les couches les plus fines possibles. Les couches sont ensuite déposées successivement par le système de fabrication additive. Ainsi, le procédé WLAM est comparable à l’impression 3D traditionnelle, mais avec l’utilisation d’un fil métallique fondu par laser au lieu de fil plastique fondu par buse. Comparé aux technologies de fusion sélective par laser, d’acronyme anglo-saxon SLM pour «Selective Laser Melting » et de dépôt par fusion laser de poudre, d’acronyme anglo-saxon LMD pour « Laser Melting Deposition », un procédé WLAM présente de nombreux avantages, notamment le fait qu’il est parfaitement adapté pour concevoir des pièces de grandes dimensions et qu’il pourrait répondre à des cadences de production élevées. Le laser emploie des spots de 1 à 2 mm, produisant une chaleur beaucoup plus localisée. Un procédé WLAM permet ainsi de construire des pièces qu’on ne pourrait pas construire avec un procédé par fabrication additive arc-fil, d’acronyme anglo-saxon WAAM pour « Wire Arc Additive Manufacturing ». De plus, l’utilisation de fil permet de garantir un rendement matière de 100%. En outre, dans un procédé WLAM, les risques liés à l’utilisation d’une poudre sont écartés. Un procédé WLAM permet ainsi une réduction importante des coûts liés aux équipements de protection individuels et au suivi santé des opérateurs. Malgré tous les avantages précités, le niveau de maturité technologique d’un procédé WLAM est moins élevé que pour le procédé WAAM. De manière générale, les procédés de soudage et de fabrication additive métallique utilisant un laser diffèrent principalement des procédés à arc tels que le soudage TIG, acronyme anglo-saxon pour « Tungsten Inert Gas » ou MIG acronyme anglo-saxon pour « Metal Inert Gas», en ce qu’ils sont réalisés à de plus grandes vitesses de soudage, de plus grandes densités de puissance et à des températures de fusion plus élevées. Cela implique d’importants gradients de température autour du bain de fusion entrainant, par convexion, du gaz pollué autour du bain de fusion. Cela génère des impuretés qui nuisent aux performances techniques des pièces réalisées : apparition de fissures, crevasses, bulles, impuretés, etc. En particulier, on constate dans le cas d’un procédé WLAM que les solutions habituellement employées pour réaliser un inertage ne permettent pas de limiter les défauts évoqués ci-dessus. On rappelle ici que l’inertage consiste à utiliser des gaz neutres tels que l’argon, l’azote, ou l’hélium. Ces gaz neutres peuvent permettre d’assurer la qualité des pièces réalisées en protégeant les matériaux en fusion lors de la production. Il permet également de contrôler l’atmosphère lors du processus d’impression additive. Ainsi, les systèmes classiques d’inertage ne sont pas assez performants en termes de protection du bain de fusion. Les effets thermodynamiques des gaz d’inertage très chaud n’assurent pas une protection optimale. Il existe donc un besoin d’améliorer les solutions d’inertage d’un procédé WLAM, et de manière plus générale, de tout procédé de découpe, soudage, rechargement ou fabrication additive mettant en œuvre un faisceau laser, notamment afin de pallier les inconvénients précités, c’est-à-dire afin de diminuer les défauts générés par le gaz pollué autour du bain de fusion, d’augmenter la qualité de ce dernier, d’accroitre la résistance mécanique de pièces obtenues par un tel procédé afin de se rapprocher des normes en vigueur. Le but de l’invention est de répondre au moins en partie à ce besoin. Pour ce faire, l’invention concerne, sous l’un de ses aspects, un procédé de découpe, soudage, rechargement ou fabrication additive par faisceau laser, comprenant les étapes suivantes : a/ réalisation au sein d’une enceinte d’inertage, sous atmosphère inerte, d’au moins une découpe, au moins un soudage, au moins un rechargement ou au moins une fabrication additive d’une pièce mettant en œuvre au moins un faisceau laser dirigé vers une zone dans laquelle la pièce est définie; b/ injection d’un gaz d’inertage dans l’enceinte, vers la zone ; c/ aspiration du gaz injecté, susceptible d’être porteur de poussière(s) et/ou de fumée(s) issue(s) de l’étape a/, en dehors de l’enceinte. Le gaz d’inertage à injecter peut être de l’argon ou de l’azote. Selon un premier mode de réalisation avantageux, le procédé comprend, avant l’étape b/, au moins une étape a1/ de filtration et/ou de nettoyage du gaz à injecter. Selon ce premier mode et selon une variante avantageuse, le procédé comprend une étape de collecte a2/ de la poussière(s) et/ou de(s) fumée(s) issues de la filtration selon l’étape a1/. Selon un deuxième mode de réalisation avantageux, le procédé comprend, avant l’étape b/, une étape a3/ de réfrigération du gaz à injecter. Avantageusement, l’étape b/ et l’étape c/ sont réalisées dans un circuit fluidique fermé comprenant l’enceinte de sorte que le gaz aspiré selon l’étape c/ est celui à injecter selon l’étape b/, au préalable filtré et/ou nettoyé, et le cas échéant, réfrigéré. L’invention concerne également une installation de découpe, soudage, rechargement ou fabrication additive par faisceau laser, comprenant : - une enceinte d’inertage, sous atmosphère inerte, logeant un support d’une pièce à réaliser par découpe, soudage ou fabrication additive, et au moins une partie d’au moins un laser adapté pour émettre un faisceau de découpe, soudage, rechargement ou fabrication additive; - au moins une ligne fluidique d’injection d’un gaz d’inertage dans l’enceinte, vers une zone de réalisation de la pièce ; - au moins une ligne fluidique d’aspiration du gaz injecté, susceptible d’être porteur de poussière(s) et/ou de fumée(s) issue(s) de l’étape a/, en dehors de l’enceinte. Selon un premier mode de réalisation avantageux, l’installation comprend au moins un filtre et/ou un dispositif de nettoyage du gaz à injecter, agencé sur la ligne fluidique d’injection. Selon ce premier mode et une variante de réalisation avantageuse, la ligne fluidique d’injection comprend un récipient de collecte, du type cendrier, de la poussière(s) et/ou de(s) fumée(s) issues de la filtration par le(s) filtre(s). Selon un deuxième mode de réalisation avantageux, l’installation comprend une unité de réfrigération du gaz à injecter, agencée sur la ligne fluidique d’injection. Avantageusement, l’installation comprend un circuit fluidique fermé comprenant l’enceinte, une pompe d’aspiration, la ligne fluidique d’aspiration étant reliée en aval à la ligne fluidique d’injection de sorte que le gaz aspiré par la pompe est celui à injecter, au préalable filtré et/ou nettoyé, et le cas échéant réfrigéré. Selon un autre mode de réalisation avantageux, l’installation comprend une unité de contrôle-commande pour réguler le fonctionnement des composants du circuit fluidique, dont au moins la pompe d’aspiration et le cas échéant, l’unité de réfrigération. Les procédés de découpe, soudage et fabrication additive mettant en œuvre un laser selon l’état de l’art, permettent d’atteindre des vitesses de travail élevées à de hautes températures. En revanche, il a été constaté que ces procédés génèrent plus ou moins de pollutions, notamment poussière(s) et/ou de fumée(s) issue(s) du bain de fusion généré par le laser, et ce en fonction des matériaux fondus. Les inventeurs ont réalisé des analyses thermodynamiques de gaz d’inertage qui ont montré que les flux, très chauds, sont violement perturbés et n’assurent pas au mieux ce à quoi ils sont dédiés, ce qui détériore la qualité de l’inertage, et donc est susceptible d’engendrer des défauts lors de la fabrication. Or, dans un procédé à des fins industrielles, il est impératif d’obtenir des caractéristiques techniques précises et reproductibles sur les pièces découpées, soudées ou fabriquées par addition. Les inventeurs ont donc cherché à optimiser au mieux ces caractéristiques en supprimant le plus de défauts lors de la fabrication desdites pièces. L’invention consiste essentiellement à garantir une qualité du gaz d’inertage injecté dans l’enceinte d’inertage dans laquelle le faisceau laser est mis en œuvre pour la fabrication, en le filtrant et/ou le nettoyant avant son injection, et à aspirer simultanément les gaz issus de la fabrication et susceptibles d’être porteurs de toute pollution, en dehors de l’enceinte. Avantageusement, on met en œuvre un cycle fermé qui permet de filtrer les gaz d’inertage et avantageusement de les refroidir, pour les réinjecter dans l’enceinte d’inertage pendant les cycles de fonctionnement du procédé de fabrication. Les avantages de l’invention sont nombreux parmi lesquels on peut citer : une amélioration de la qualité des bains de fusion d’un procédé de fabrication par découpe, soudage ou fabrication additive par laser en diminuant les défauts/impuretés susceptibles d’être conservé(e)s lors de la fabrication ; une diminution avantageuse du coût des opérations par recyclage en cycle fermé du gaz d’inertage ; une amélioration de la qualité des soudures et des pièces réalisées avec les procédés de découpe, ou de soudage par faisceau laser et de fabrication additive métallique laser. Les applications potentielles de l’invention décrite, sont que son installation peut être réalisée sur tous les types d’enceintes/chambres d’inertage hermétique, qu’elles soient rigides ou souples. Toutes les applications industrielles de soudage et de fabrication additive laser sont concernées, particulièrement le nucléaire, l’aéronautique, le naval, l’automobile. D’autres avantages et caractéristiques de l’invention ressortiront mieux à la lecture de la description détaillée d’exemples de mise en œuvre de l’invention faite à titre illustratif et non limitatif en référence aux figures suivantes. la est une vue schématique d’une installation de fabrication additive métallique par laser, à enceinte d’inertage hermétique mettant en œuvre un système d’inertage du gaz à injecter, recyclé pour être réinjecté selon l’invention. Description détaillée Dans l’ensemble de la présente demande, les termes « amont », « aval », « entrée » et « sortie », « dessus » sont à comprendre par référence par rapport au sens de circulation des fluides dans une installation selon l’invention, telle qu’elle est en configuration de fonctionnement. On a représenté en , une installation 1 de fabrication additive métallique par laser selon l’invention. Cette installation comprend tout d’abord une enceinte d’inertage 10, sous atmosphère inerte, logeant un support 11 d’une pièce P faisant l’objet d’un traitement par procédé de soudage, rechargement ou par fabrication additive. L’atmosphère inerte peut être contrôlée au moyen d’un capteur 12 d’oxygène et avantageusement en eau. La température au sein de l’enceinte 10 peut être contrôlée au moyen d’un capteur de température 13. Une tête de laser 14 est logée également dans l’enceinte 10. Le laser est adapté pour émettre un faisceau de fabrication additive vers une zone Z au sein de laquelle la pièce P est fabriquée. Pour réaliser la fusion par le laser 14, de la poudre ou un fil métallique est amené par un dispositif d’alimentation 2 comprenant un réservoir 20 et une ligne fluidique d’alimentation 21 reliée en aval au réservoir 20 et qui débouche dans la zone Z. L’alimentation peut être interrompue par l’actionnement d’une électrovanne 22 sur la ligne 21. Un débitmètre 23, de préférence en aval de l’électrovanne 22, permet de réguler à souhait le débit de matière métallique (poudre ou fil) à injecter dans la zone Z. L’enceinte d’inertage est équipée d’un sas non représenté, adapté pour extraire les pièces de petites dimensions qui sont produites, sans rompre l’inertage. Pour les plus grandes pièces qui peuvent être fabriquées dans l’enceinte, le sas peut ne pas être suffisamment grand. Dans ce cas un des panneaux latéral délimitant l’enceinte peut être démonté pour en extraire les pièces. Selon l’invention, un circuit fluidique fermé 3 comprenant l’enceinte 10 est agencé dans l’installation pour injecter dans la zone Z un gaz d’inertage, tel que l’argon ou de l’azote, et pour aspirer les gaz susceptibles d’être porteurs de pollutions (poussières, fumées) issues du processus de fusion du matériau métallique, hors de l’enceinte et les filtrer et le cas échéant nettoyer pour les réinjecter en tant que le gaz d’inertage. Ainsi, le circuit comprend tout d’abord au moins une ligne fluidique 30 d’injection du gaz d’inertage dans l’enceinte 10, vers la zone Z et au moins une ligne fluidique 31 d’aspiration du gaz injecté, susceptible d’être porteur de poussière(s) et/ou de fumée(s) issue(s) de la fabrication, en dehors de l’enceinte. Une pompe d’aspiration 4 sur la ligne 31 permet de réaliser l’aspiration souhaitée. Comme illustré, la ligne fluidique d’aspiration 31 est reliée en aval à la ligne fluidique d’injection 30. Un filtre 32, de préférence deux filtres 32, 33 sont agencé(s) sur la ligne fluidique d’aspiration 31 et donc d’injection 30. Un récipient de collecte 320, du type cendrier de la poussière(s) et/ou de(s) fumée(s) issues de la filtration par le filtre 32 amont. Une unité de réfrigération 5 du gaz à injecter est agencée sur la ligne fluidique d’injection 30. Ainsi, le fonctionnement du circuit fermé d’inertage 3 permet de réinjecter le gaz aspiré par la pompe 4 depuis l’enceinte 10, qui au préalable filtré par les filtres 32, 33, et réfrigéré par l’unité 5. L’injection du gaz et l’aspiration des gaz porteurs de pollutions peuvent être interrompues par l’actionnement d’une électrovanne 35, 36 respectivement sur la ligne 30 et sur la ligne 31. L’atmosphère inerte peut être contrôlée au moyen d’un, de préférence deux capteurs 37, 38 d’oxygène et avantageusement en eau, respectivement en aval de l’électrovanne 34 et en amont de l’électrovanne 35. Un débitmètre 38, de préférence en amont de l’électrovanne 35, permet de réguler à souhait le débit de gaz d’inertage à injecter dans la zone Z. L’installation comprend avantageusement une unité de contrôle-commande pour réguler le fonctionnement des composants du circuit fluidique 3, dont au moins la pompe d’aspiration 4 et l’unité de réfrigération 5. Le circuit fermé d’inertage 3 permet de supprimer le plus grand nombre d’impuretés générées par le procédé, en aspirant au moyen de la pompe 4, les gaz chauds et porteurs de poussières et de fumées issues de la zone Z. Ces gaz chauds sont alors filtrés par les filtres 32, 33 avec les particules solides filtrées collectées dans le cendrier 320. Puis, ce gaz filtré, qui peut être le cas échéant nettoyé est réfrigéré par l’unité 5 puis réinjecté dans l’enceinte 10. Ainsi, avec un tel circuit fermé 3, non seulement on améliore la qualité de la pièce P en diminuant les défauts/impuretés susceptibles d’être conservé(e)s lors de sa fabrication mais en outre on diminue les coûts de fonctionnement du fait du recyclage du gaz d’inertage en circuit fermé. L’invention n’est pas limitée aux exemples qui viennent d’être décrits ; on peut notamment combiner entre elles des caractéristiques des exemples illustrés au sein de variantes non illustrées. D’autres variantes et modes de réalisation peuvent être envisagés sans pour autant sortir du cadre de l’invention. Procédé de découpe, soudage, rechargement ou fabrication additive par faisceau laser, comprenant les étapes suivantes : a/ réalisation au sein d’une enceinte d’inertage, sous atmosphère inerte, d’au moins une découpe, au moins un soudage, au moins un rechargement ou au moins une fabrication additive d’une pièce mettant en œuvre au moins un faisceau laser dirigé vers une zone dans laquelle la pièce est définie; b/ injection d’un gaz d’inertage dans l’enceinte, vers la zone ; c/ aspiration du gaz injecté, susceptible d’être porteur de poussière(s) et/ou de fumée(s) issue(s) de l’étape a/, en dehors de l’enceinte. Procédé selon la revendication 1, comprenant, avant l’étape b/, au moins une étape a1/ de filtration et/ou de nettoyage du gaz à injecter. Procédé selon la revendication 2, comprenant une étape de collecte a2/ de la poussière(s) et/ou de(s) fumée(s) issues de la filtration selon l’étape a1/. Procédé selon l’une des revendications précédentes, comprenant, avant l’étape b/, une étape a3/ de réfrigération du gaz à injecter. Procédé selon l’une des revendications 2 à 4, l’étape b/ et l’étape c/ étant réalisées dans un circuit fluidique fermé comprenant l’enceinte de sorte que le gaz aspiré selon l’étape c/ est celui à injecter selon l’étape b/, au préalable filtré et/ou nettoyé, et le cas échéant, réfrigéré. Installation de découpe, soudage, rechargement ou fabrication additive par faisceau laser, comprenant : une enceinte d’inertage, sous atmosphère inerte, logeant un support d’une pièce à réaliser par découpe, soudage ou fabrication additive, et au moins une partie d’au moins un laser adapté pour émettre un faisceau de découpe, soudage, rechargement ou fabrication additive ; au moins une ligne fluidique d’injection d’un gaz d’inertage dans l’enceinte, vers une zone de réalisation de la pièce ; au moins une ligne fluidique d’aspiration du gaz injecté, susceptible d’être porteur de poussière(s) et/ou de fumée(s) issue(s) de l’étape a/, en dehors de l’enceinte. Installation selon la revendication 6, comprenant au moins un filtre et/ou un dispositif de nettoyage du gaz à injecter, agencé sur la ligne fluidique d’injection. Installation selon la revendication 7, la ligne fluidique d’injection comprenant un récipient de collecte, du type cendrier de la poussière(s) et/ou de(s) fumée(s) issues de la filtration par le(s) filtre(s). Installation selon l’une des revendications 6 à 8, comprenant une unité de réfrigération du gaz à injecter, agencée sur la ligne fluidique d’injection. Installation selon l’une des revendications 7 à 9, comprenant un circuit fluidique fermé comprenant l’enceinte, une pompe d’aspiration, la ligne fluidique d’aspiration étant reliée en aval à la ligne fluidique d’injection de sorte que le gaz aspiré par la pompe est celui à injecter, au préalable filtré et/ou nettoyé, et le cas échéant réfrigéré. Installation selon la revendication 10, comprenant une unité de contrôle-commande pour réguler le fonctionnement des composants du circuit fluidique, dont au moins la pompe d’aspiration et le cas échéant, l’unité de réfrigération.