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Title:
METHOD AND DEVICE FOR MANUFACTURING A COMPONENT FROM POWDER
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2016/120562
Kind Code:
A1
Abstract:
The present invention relates to a method for manufacturing a component (1) from powder, comprising the following steps: modelling said component (1) in three dimensions and breaking down the model obtained into layers (2) defining, for each layer (2), a zone of material, fusing said zone of material by supplying energy selectively to said zone of material, in which the supply of energy is performed simultaneously across the entire zone of said layer (2) that is to be fused. The present invention also relates to an apparatus for the manufacture of a component (1) from powder, especially designed to implement a method according to one of the preceding claims, comprising a means for applying a layer (2) of powder to a surface, an energy source, a means of directing the energy source toward predetermined zones, in order to fuse said powder to the previous layer (2), said apparatus comprising a plate provided with a plurality of fixed activators (10) distributed over said plate, and said means of directing the energy source consisting in a means of selectively activating said activators (10).

Inventors:
ALVAREZ, Pierre (4 rue Gustave Klotz, Strasbourg, 67000, FR)
Application Number:
FR2016/050169
Publication Date:
August 04, 2016
Filing Date:
January 27, 2016
Export Citation:
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Assignee:
ALVAREZ, Pierre (4 rue Gustave Klotz, Strasbourg, 67000, FR)
International Classes:
B22F3/105; B29C67/00
Foreign References:
US20020093115A12002-07-18
US20110262655A12011-10-27
US20120139167A12012-06-07
US20020093115A12002-07-18
US20120139167A12012-06-07
Other References:
A. NUMULA ET AL: "Reactive Current-Activated Tip-Based Sintering of Ni-Al Intermetallics", METALLOGRAPHY, MICROSTRUCTURE, AND ANALYSIS, vol. 2, no. 3, 11 May 2013 (2013-05-11), pages 148 - 155, XP055233155, ISSN: 2192-9262, DOI: 10.1007/s13632-013-0071-y
Attorney, Agent or Firm:
HEGE, Frédéric (1 Place Gutenberg, Strasbourg, 67000, FR)
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Claims:
REVENDICATIONS

Procédé de fabrication d'une pièce (1 ) à partir de poudre, comportant les étapes suivantes :

- modélisation en trois dimensions de ladite pièce (1 ) et décomposition du modèle obtenu en couches (2) définissant pour chaque couche (2) une zone de matière,

- soudure de ladite zone de matière par apport d'énergie sélectivement sur ladite zone de matière,

caractérisé en ce que l'apport d'énergie est effectué pa r une pluralité d'activateurs (10) simultanément sur toute la zone à souder de ladite couche (2).

Procédé selon la revendication précédente, comportant en outre les étapes suivantes :

- dépose d'une première couche (2) de poudre sur un support (3), tel qu'un plateau

- soudure de ladite zone de matière définie pour ladite première couche (2),

- dépose d'une nouvelle couche (2) de poudre sur un support (3),

- soudure de ladite zone de matière définie pour ladite nouvelle couche (2),

- jusqu'à la réalisation de toutes les couches (2), formant ainsi la pièce (1 ).

Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ladite poudre est une poudre métallique, en particulier une poudre de superalliages.

Appareil de fabrication d'une pièce (1 ) à partir de poudre, spécialement conçu pour mettre en œuvre un procédé selon l'une des revendications précédentes, comprenant un moyen de dépose d'une couche (2) de poudre sur une surface, une source d'énergie, un moyen de diriger la source d'énergie vers des zones prédéterminées, pour souder ladite poudre à la couche (2) précédente, caractérisé en ce que ledit appareil comporte une plaque munie d'une pluralité d'activateurs (10) fixés répartis sur ladite plaque, et ledit moyen de diriger la source d'énergie consiste en un moyen d'activation sélectif desdits activateurs (10).

5. Appareil selon la revendication précédente, dans lequel lesdits activateurs (10) comportent chacun un nanotube, de préférence en carbone.

6. Appareil selon la revendication précédente, dans lequel ledit moyen d'activation sélectif d'un nanotube est un moyen de délivrer un potentiel audit nanotube.

7. Appareil selon l'une des revendications 4 à 6 comportant un dispositif de contrôle (13) de manière sélectif du refroidissement de la poudre en cours de soudure et immédiatement après.

8. Appareil selon la revendication précédente, dans lequel ledit dispositif de contrôle (13) est disposé sous ledit support (3).

9. Appareil selon la revendication précédente, dans lequel ledit dispositif de contrôle (13) comporte des picots (14) aptes à être enfoncés dans la poudre non soudée en direction de la couche (2) entrain d'être fabriquée.

10. Appareil selon l'une des revendications 4 à 9, dans lequel ledit moyen de dépose d'une couche (2) de poudre comporte une alimentation en poudre et un moyen de déplacement horizontal dudit support (3) par rapport à ladite alimentation et dans lequel ledit moyen de dépose d'une couche (2) de poudre comporte un écréteur, en particulier rotatif dans le sens produisant un raclage de la poudre en direction de l'alimentation.

Description:
Procédé et dispositif de fabrication d'une pièce à partir de poudre.

La présente invention concerne un procédé de fabrication d'une pièce à partir de poudres, en particulier par ce qu'on appelle la fabrication additive.

La fabrication additive désigne les procédés de mise en forme d'une pièce par ajout de matière, par empilement de couches successives, en opposition à la mise en forme par enlèvement de matière, tel que l'usinage, ou encore à la mise en forme par moulage, forgeage ou autre.

La fabrication additive est aussi couramment appelée l'impression 3D, par comparaison à l'impression d'encre, procédé qui consiste à déposer de l'encre en des endroits choisis, le plus souvent piloté par ordinateur.

Plusieurs techniques de fabrication additive à partir de poudre son connues.

On commence par réaliser un modèle 3D de la pièce à fabriquer, puis on la décompose en couches de quelques dizaines de microns d'épaisseur, selon une direction choisie par le spécialiste selon la configuration de la pièce.

On dépose alors une couche de poudre de l'épaisseur prévue (par exemple 20 microns), puis on fait parcourir au faisceau laser ou faisceau d'électrons l'ensemble de la surface de cette couche qui doit faire partie de la pièce, selon le modèle 3D. Dans la suite on décrira la technique avec un laser. Le laser fait fondre la poudre qui se soude à la couche précédente, ou élève la température de la poudre à un niveau suffisant pour que celle ci se fritte ou fonde. On dépose alors une nouvelle couche de poudre, et ainsi de suite, jusqu'à former de proche en proche l'ensemble de la pièce. Le document US2001262655A1 , par exemple, divulgue une méthode de fabrication par frittage point-par-point.

Néanmoins cela présente d'importants inconvénients, puisque non seulement la trajectoire à parcourir par le laser prend beaucoup de temps, mais de plus les guides et moteurs pour faire déplacer le laser par rapport à la pièce prennent de la place et rendent le dispositif encombrant. En outre les moteurs peuvent provoquer des vibrations pendant la fabrication, pouvant perturber la qualité des pièces fabriquées.

Le docu ment U S20020931 1 5A1 , q uant à l u i , d ivulgue u ne méthode de fabrication par collage. Ceci requiert un produit, la colle, et une étape supplémentaire au procédé de fabrication, et les pièces fabriquées sont moins résistantes que des pièces obtenues par soudure.

Enfin le document US2012139167A1 divulgue une méthode pour fabriquer un objet utilisant un masque, qui requiert l'usage d'un dispositif complexe.

La présente invention a pour but de pallier au moins en partie à ces inconvénients.

La présente invention a pour objet de proposer un procédé de fabrication additive d'une pièce à partir de poudre, qui soit rapide, fiable et précis.

Un autre objet de la présente invention est de proposer un dispositif permettant une fabrication additive, qui soit robuste, exempt de mouvements et de vibrations intempestives.

Un autre objet de la présente invention est de proposer un dispositif permettant une fabrication additive de précision.

A cet effet elle propose un procédé de fabrication d'une pièce à partir de poudre, comportant les étapes suivantes :

- modélisation en trois dimensions de ladite pièce et décomposition du modèle obtenu en couches définissant pour chaque couche une zone de matière,

- soudure de ladite zone de matière par apport d'énergie sélectivement sur ladite zone de matière,

Ce procédé est particulier en ce que l'apport d'énergie est effectué par une pluralité d'activateurs simultanément sur toute la zone à souder de ladite couche,

Grâce à ces dispositions, les soudures de lad ite couche sont effectuées simultanément ce qui réduit significativement le temps de soudure, comparé à celui nécessaire avec un faisceau parcourant successivement toutes les zones à souder.

Selon d'autres caractéristiques

ledit procédé peut comporter en outre les étapes suivantes :

- dépose d'une première couche de poudre sur un support - soudure de ladite zone de matière définie pour ladite première couche,

- dépose d'une nouvelle couche de poudre sur un support, - soudure de ladite zone de matière définie pour ladite nouvelle couche,

- jusqu'à la réalisation de toutes les couches, formant ainsi la pièce ;

de telles dispositions permettent en un temps significativement réduit, de fabriquer de proche en proche une pièce complète, qui peut être complexe et détaillée,

ladite poudre peut être une poudre métallique, en particulier une poudre de superalliage, permettant de réaliser des pièces métalliques ou en superalliage avec l'avantage des propriétés inhérentes à ces matériaux, le titane ou les alliages aluminures de titane sont des exemples de matériaux intéressants.

La présente invention concerne également un appareil de fabrication d'une pièce à partir de poudre, spécialement conçu pour mettre en œuvre un procédé selon l'invention. Cet appareil comprend un moyen de dépose d'une couche de poudre sur une surface, une source d'énergie, un moyen de diriger la source d'énergie vers des zones prédéterminées, pour souder ladite poudre à la couche précédente. Cet appareil est particulier en ce qu'il comporte une plaque munie d'une pluralité d'activateurs fixés répartis sur ladite plaque, et ledit moyen de diriger la source d'énergie consiste en un moyen d'activation sélectif desdits activateurs.

Grâce à ces dispositions, non seulement l'activation peut se faire simultanément pour l'ensemble d'une couche, mais en outre l'activation peut se faire en l'absence de tout mouvement de pièce, et donc en l'absence de vibrations intempestives.

Selon d'autres caractéristiques

lesdits activateurs peuvent comporter chacun un nanotube, en particulier en carbone ; de tels nanotubes permettent une précision très grande de réalisation, du fait de leur petite taille et de leur rigidité,

ledit moyen d'activation sélectif d'un nanotube peut être un moyen de délivrer un potentiel audit nanotube ; une telle disposition rend l'appareil très simple d'utilisation,

ledit appareil peut comporter un dispositif de contrôle de manière sélectif du refroidissement de la poudre en cours de soudure et immédiatement après, permettant de contrôler la structure de la pièce et ses propriétés mécaniques,

ledit dispositif de contrôle (13) peut être disposé sous ledit support, et peut consister en un chauffage ou un refroidissement, selon la cinématique de refroidissement souhaité pour la matière,

ledit dispositif de contrôle peut comporter des picots aptes à être enfoncés dans la poudre non soudée en direction de la couche entrain d'être fabriquée, permettant ainsi un contrôle de la cinématique de refroidissement au plus près de ladite couche,

- ledit moyen de dépose d'une couche de poudre peut comporter une alimentation en poudre et un moyen de déplacement horizontal dudit support par rapport à ladite alimentation, permettant ainsi un moyen simple pour une dépose homogène sur ledit support,

ledit moyen de dépose d'une couche de poudre peut comporter un écréteur, en particulier rotatif dans le sens produisant un raclage de la poudre en direction de l'alimentation, améliorant ainsi l'homogénéité en épaisseur de la couche de poudre.

L'avantage apporté par la présente invention réside principalement en ce qu'il devient possible de réaliser une pièce à partir de poudre d'une façon plus rapide, tout en conservant une excellente précision, voire en améliorant cette précision.

La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'un exemple de réalisation qui suit, faite en référence à la figure annexée.

La figure 1 est une vue schématique de face d'un dispositif selon l'invention, dans 5 positions successives.

Le procédé selon l 'i nvention comporte u ne prem ière étape con n ue, de modélisation d'une pièce 1 à fabriquer, et de décomposition en couches 2 de ladite pièce 1 . Cette modélisation aboutit à un modèle 3D. Pour la simplicité de l'exposé, on prendra l'exemple d'une pièce 1 homogène, en une seule partie, et en un seul matériau. Ledit modèle 3D définit donc des zones de matière dans chaque couche 2.

Le dispositif selon l'invention représenté à la fig. 1 comporte un moyen de support 3 tel qu'un plateau 3 disposé sur un moyen de déplacement vertical 4 tel qu'un vérin. Il est également disposé sur un moyen de déplacement horizontal 5 tel qu'un rail horizontal, représenté sous forme schématique à la fig. 1 .

Le dispositif comporte un moyen de dépose 6 d'une couche 2 de poudre. La poudre peut être déposée sur une ligne, par exemple perpendiculaire au dessin de la fig. 1 , pendant la mise en place du plateau 3, ce qui permet de déposer une couche 2 sur la surface active du plateau 3. Un écréteur 7 immobile, ou mobile en rotation autour de son axe, de préférence dans le sens dans lequel il renvoie l'excédent de poudre vers le côté de l'alimentation en poudre, peut être disposé pour conférer une épaisseur constante à la couche 2 de poudre. D'autres moyens de dépose 6 d'une couche 2 de poudre peuvent être envisagés. Pour des raisons de simplicité de la présentation, on a représenté sur la même vue la dépose de poudre et l'activation sélective. Dans la réalité toutefois la dépose de poudre se passe d'abord, et une fois que la couche 2 de poudre est entièrement déposée, et en place, on peut passer à l'étape suivante.

Le dispositif comporte un moyen d'activation sélectif surfacique 8. Celui-ci envoie vers le plateau 3 l'énergie nécessaire pour souder la poudre à la couche 2 précédente, par fusion ou par frittage, selon l'énergie appliquée. Il n'envoie cette énergie que sur les points prédéterminés 9, de sorte à former une couche 2 conforme au modèle 3D préalablement défini. On dira dans la suite de l'exposé qu'il active un tel point. Lorsqu'il s'agit de la première couche, l'expression « souder la poudre à la couche précédente » doit être comprise comme souder les grains de poudre entre eux, avec une possibilité non obligatoire qu'ils se soudent en même temps sur le plateau 3, ou sur tout intermédiaire disposé sur le plateau 3 dans ce but, et qui peut être enlevé ensuite de la pièce 1 finie par tout moyen connu.

Selon l'invention, le moyen d'activation sélectif surfacique 8 comporte une pluralité d'activateurs 10 disposés sur sa surface, de sorte à disposer d'un activateur 10 en tout point du plateau 3 où le modèle 3D est susceptible de définir un point matière. De cette façon, les activateurs 10 n'ont pas besoin de se déplacer vers les points à activer, mais en tout point à activer, un activateur 10 est déjà disposé sur le moyen d'activation sélectif surfacique 8. Cela présente l'avantage que tous les activateurs 10 peuvent travailler en même temps, ce qui réduit très nettement le temps d'activation nécessaires pour une couche 2. Cela présente en outre l'avantage que pendant l'activation, aucune pièce n'est en mouvement, et il n'y a donc pas de risque de perturbation par d'éventuelles vibrations produites par des déplacements.

Le dispositif selon l'invention comporte une source d'alimentation en énergie 1 1 , ainsi qu'un ordinateur 12 configuré pour recevoir le modèle 3D avec la décomposition en couches 2, et apte à piloter l'activation des activateurs 10 selon ledit modèle 3D, en particulier selon la configuration de la couche 2 du modèle 3D correspondant à la couche 2 entrain d'être fabriquée.

Le plateau 3 descend alors de l'épaisseur d'une couche 2, grâce au moyen de déplacement vertical, et s'écarte horizontalement pour recevoir une nouvelle couche 2 de poudre. On peut alors passer à l'activation des points définis dans cette nouvelle couche 2.

On peut bien entendu prévoir qu'au lieu de faire descendre le plateau 3 entre deux couches 2, on fait monter le moyen d'activation sélectif surfacique 8, avec comme objectif de conserver une distance sensiblement constante entre les deux, et donc un réglage d'activation identique ; on peut aussi imaginer, pour des pièces 1 peu épaisses à fabriquer, que la distance entre le plateau 3 et le moyen d'activation sélectif surfacique 8 soit suffisante pour réaliser l'ensemble des couches 2, et la variation de la distance est compensée par un réglage différent des activateurs 10.

On peut prévoir par ailleurs qu'au lieu de déplacer horizontalement le plateau 3 pour l'alimentation en poudre, c'est le moyen d'activation sélectif surfacique 8 qui s'écarte. On peut même imaginer que l'alimentation en poudre soit réalisée sans aucun mouvement relatif entre le plateau 3 et le moyen d'activation sélectif surfacique 8, si la distance entre les deux est suffisante pour rendre cela possible.

Le moyen d'activation sélectif surfacique 8 peut aussi être écarté verticalement, et libérer la place pour effectuer le dépôt d'une couche de poudre par un mouvement de translation du moyen de dépose 6 et de l'écréteur 7. Cela permet de déposer la poudre dans les deux sens de translation en disposant un deuxième écréteur 7 de l'autre côté du moyen de dépose 6.

Les activateurs 10 peuvent être des pointes métalliques, pouvant chacune émettre un arc électrique sur commande de la part de l'ordinateur, et ainsi produire la soudure de la poudre. Plus les pointes sont fines, plus il sera possible de réaliser des formes détaillées et complexes.

Les activateurs 10 peuvent comporter chacun un nanotube, par exemple en carbone. En effet un tel nanotube présente une excellente conductivité associée à un effet de pointe, permettant de produire individuellement sur l'un des nanotubes un arc, d'énergie suffisante pour souder en un point la couche 2 de poudre sur la couche 2 précédente, que ce soit par fusion ou par frittage.

Un nanotube se présente sous la forme d'un feuillet de graphène enroulé sur lui- même, lui conférant substantiellement une forme cylindrique, avec des extrémités hémisphériques ou coniques. Le diamètre d'un tel nanotube est de quelques nanomètres, pour une longueur pouvant aller jusqu'à quelques micromètres.

La petite taille des nanotubes permet de les disposer proches les uns des autres, et d'obtenir ainsi une grande précision d'activation sélective sur les diverses couches 2. Leur grande rigidité améliore encore cette précision d'activation par la précision de la visée vers la poudre à fritter ou fondre.

Le moyen d'activation sélectif surfacique 8 peut ainsi comporter une pluralité de nanotubes disposés sur sa surface. Les axes des cylindres sont sensiblement perpendiculaires à sa surface, dirigés vers le plateau 3. En appliquant un potentiel à certains nanotubes sélectionnés, au niveau du moyen d'activation sélectif surfacique 8, on peut ainsi produire une activation sélective de ces nanotubes, piloté par l'ordinateur 12, et une soudure de la poudre au droit de ces nanotubes.

Selon un mode particulier de réalisation de l'invention, l'appareil comporte un dispositif de refroidissement 13 contrôlé et sélectif, disposé sous le plateau 3. Ce dispositif permet de contrôler le gradient thermique dans la couche en cours de fabrication, et donc d'optimiser la structure cristallographique, et les caractéristiques mécaniques. Du fait de la soudure simultanée de toute la zone d'une couche, un tel contrôle est aisé à réaliser par une plaque. Toutefois on peut aussi chauffer ou refroidir sélectivement la plaque selon les zones.

Ce dispositif peut être muni de picots 14 aptes à être enfoncés dans la poudre non frittée vers la couche entrain d'être fabriquée, et ainsi améliorer le refroidissement contrôlé des couches ultérieures.