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Title:
METHOD FOR LASER BEAM ADDITIVE MANUFACTURING OF A MACHINE PART WITH TECHNICAL AND/OR DECORATIVE FUNCTION AND MACHINE PART WITH TECHNICAL AND/OR DECORATIVE FUNCTION
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2020/254145
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method for laser additive manufacturing of a machine part (32) with a technical and/or decorative function, the method comprising the steps of: - providing a laser beam (16) the operation of which is controlled by means of a computer into which a CAD file is entered, which is divided into one or more layers which, once superimposed, enable the structure (30) of the desired machine part (32) to be formed; - providing a ceramic material substrate (6) and arranging it in a manufacturing chamber (2) in which a neutral gas atmosphere is created; - depositing on the substrate (6) at least one first layer (28) of a first metallic material powder to be fused; - levelling the first layer (28) of the first metallic material to be fused; - subjecting the first layer (28) of the first metallic material to a selective fusing step by means of the laser beam (16) in line with the CAD file; - if need be, depositing on the substrate (6) a second layer of a first metallic material powder or of a second metallic material powder which is different from the first metallic material powder; - levelling the second layer and subjecting said second layer to a step of selected fusion by means of the laser beam (16); - if need be, repeating the steps until the desired machine part (32) is produced; - taking the machine part (32) out of the manufacturing chamber (2), removing the surplus material and cleaning the assembly, and, if need be, subjecting the part to finishing operations such as polishing.

Inventors:
MIKO CSILLA (CH)
BRAIT ANAÏS (CH)
Application Number:
EP2020/065925
Publication Date:
December 24, 2020
Filing Date:
June 09, 2020
Export Citation:
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Assignee:
SWATCH GROUP RES & DEV LTD (CH)
International Classes:
B22F3/105; B22F7/08; B33Y10/00; B33Y80/00; G04D3/00; G04B37/22; G04B45/00
Foreign References:
CN108411296A2018-08-17
CH710543A22016-06-30
US20100291286A12010-11-18
US20170252854A12017-09-07
US20150209889A12015-07-30
Other References:
SYED-KHAJA AARIEF ET AL: "Is selective laser melting (SLM) an alternative for high-temperature mechatronic integrated devices? methodology, hurdles and prospects", 2016 12TH INTERNATIONAL CONGRESS MOLDED INTERCONNECT DEVICES (MID), IEEE, 28 September 2016 (2016-09-28), pages 1 - 5, XP033003268, ISBN: 978-1-5090-5426-8, [retrieved on 20161108], DOI: 10.1109/ICMID.2016.7738929
Attorney, Agent or Firm:
ICB SA (CH)
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Claims:
REVEN D ICATIONS

1. Procédé de fabrication additive par laser d’une pièce mécanique (32) à fonction technique et/ou décorative, cette pièce mécanique (32) comprenant un substrat (6) et une structure (30) formée sur le substrat (6) par fabrication additive par laser, ce procédé comprenant les étapes de :

- se munir d’un faisceau laser (16) dont le fonctionnement va être commandé au moyen d’un ordinateur dans lequel est introduit un fichier informatique CAO qui est découpé en une ou plusieurs strates qui, une fois superposées, permettent de former la structure de la pièce mécanique recherchée, un autre fichier informatique renfermant les paramètres de fonctionnement du faisceau laser ;

- se munir d’un substrat (6) réalisé en un matériau céramique dont la température de fusion est supérieure à la température mise en jeu par la fabrication additive par laser ; - disposer le substrat (6) sur une plateforme dans une enceinte de fabrication (2) ;

- fermer l’enceinte de fabrication (2) et créer dans cette enceinte de fabrication (2) une atmosphère d’un gaz neutre ;

- déposer sur le substrat (6) au moins une première couche (28) d’une poudre d’au moins un premier matériau métallique à fusionner ;

- égaliser la première couche (28) du premier matériau métallique à fusionner afin que cette première couche (28) présente une épaisseur sensiblement uniforme ;

- activer le faisceau laser (16) et soumettre au moyen de ce faisceau laser (16) la première couche du premier matériau métallique à une étape de fusion sélective en accord avec le fichier informatique CAO qui correspond à la strate à 2 dimensions de la structure (30) de la pièce mécanique (32) recherchée ; - déposer sur le substrat (6) au moins une deuxième couche d’une poudre du même matériau métallique que celui à l’aide duquel a été réalisée la première couche (28) ou bien d’un deuxième matériau métallique qui est différent du premier matériau métallique ;

- égaliser la deuxième couche et soumettre cette deuxième couche à une étape de fusion sélective au moyen du faisceau laser (16) en accord avec la strate à deux dimensions suivante du fichier informatique CAO ;

- le cas échéant, répéter les opérations jusqu’à obtenir la pièce mécanique (32) recherchée constituée du substrat (6) et de la structure (30) formée sur le substrat (6) par fabrication additive par laser ;

- sortir la pièce mécanique (32) de l’enceinte de fabrication (2), enlever le surplus de matériau métallique et nettoyer l’ensemble, et

- le cas échéant, soumettre la pièce mécanique (32) à des opérations de finition comme le polissage.

2. Procédé de fabrication selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu’avant l’étape de fusion sélective de la couche (28) de matériau en poudre, on soumet le substrat (6) à un traitement de surface.

3. Procédé de fabrication selon la revendication 2, caractérisé en ce que le traitement de surface consiste en une opération d’implantation ionique, en un traitement plasma ou en un traitement de dépôt physique en phase vapeur.

4. Procédé de fabrication selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le substrat (6) est préchauffé préalablement à l’étape de fusion sélective de la couche (28) de matériau en poudre.

5. Procédé de fabrication selon la revendication 4, caractérisé en ce que le substrat (6) est préchauffé jusqu’à une température n’excédant pas 400°C. 6. Procédé de fabrication selon l’une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l’épaisseur du substrat (6) est d’au moins 100 pm.

7. Procédé de fabrication selon l’une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le gaz neutre est de l’argon et la concentration volumique en oxygène dans l’enceinte de fabrication est inférieure à 0.5%.

8. Procédé de fabrication selon l’une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le matériau céramique est choisi dans le groupe formé par le verre borosilicate, l’alumine, le saphir, le borure de titane, l’oxyde de titane PO2, le carbure de titane, le carbure de tungstène, le nitrure de silicium, la zircone, l’émeraude, le rubis et le diamant.

9. Procédé de fabrication selon l’une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le matériau métallique est choisi dans le groupe formé par l’aluminium, l’acier, le platine, l’or, l’argent, le palladium, le zirconium et le titane.

10. Procédé de fabrication selon la revendication 9, caractérisé en ce que l’on utilise une poudre d’aluminium 6061 dont les particules ont un diamètre compris entre 5 et 63 pm.

1 1. Procédé de fabrication selon la revendication 9, caractérisé en ce que l’on utilise une poudre d’or 18 carats 750 millièmes dont les particules ont un diamètre compris entre 5 et 45 pm.

12. Procédé de fabrication selon l’une des revendications 10 et 1 1 , caractérisé en ce que les poudres de matériaux utilisées sont de type D10- D90, c’est-à-dire que 90% des particules qui forment ces poudres ont un diamètre inférieur à 63 pm, et 10% de ces particules ont un diamètre inférieur à 5 pm.

13. Procédé de fabrication selon l’une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que l’épaisseur d’une couche du matériau déposée sur le substrat (6) est comprise entre 10 pm et 50 pm. 14. Procédé de fabrication selon la revendication 13, caractérisé en ce que le nombre de couches de matériau déposées sur le substrat est compris entre 10 et 20.

15. Procédé de fabrication selon l’une des revendications 8 à 14, caractérisé en ce que la puissance du faisceau laser est fixée à une valeur de travail comprise entre 10 et 35 Watts et en ce que sa vitesse de déplacement à la surface du substrat (6) est comprise entre 100 et 700 mm/s.

16. Procédé de fabrication selon la revendication 15, caractérisé en ce que le faisceau laser (16) est de type Yb : YAG.

17. Procédé de fabrication selon l’une des revendications 8 à 16, caractérisé en ce que la strate à 2 dimensions de la pièce mécanique (32) recherchée présente un contour qui délimite au moins une surface.

18. Pièce mécanique à fonction technique et/ou décorative, cette pièce mécanique (32) comprenant un substrat (6) réalisé en un matériau céramique et une structure (30) réalisée en un matériau métallique et formée sur le substrat (6) par fabrication additive par laser.

Description:
P ROCE DE DE FAB RICATION AD D ITIVE PAR FAISCEAU

LAS ER D’U N E P I ECE M ECAN IQU E A FON CTION TECH N IQU E

ET/OU DECORATIVE ET PI ECE MECAN IQU E A FONCTION

TECH N IQU E ET/OU DECO RATIVE

Domaine technique de l’invention

La présente invention concerne un procédé de fabrication additive par faisceau laser de pièces mécaniques. La présente invention concerne également de telles pièces mécaniques notamment obtenues par la mise en œuvre du procédé de fabrication additive.

Arrière-plan technologique de l’invention

La technique de fabrication additive par fusion laser de pièces métalliques est connue depuis plus de deux décennies et est employée en particulier dans le domaine de la construction aéronautique et automobile.

Brièvement décrit, le procédé de fusion sélective au moyen d’un faisceau laser, également connu sous sa dénomination anglo-saxonne Sélective Laser Melting ou SLM, est une technique de prototypage rapide par fusion d’une poudre d’un matériau métallique au moyen d’un faisceau laser tel qu’un laser au dioxyde de carbone CO2 ou un laser YAG dont la puissance maximale est typiquement comprise entre 100 Watts et 2 à 3 kilowatts. Ce procédé de fusion sélective est utilisé pour créer, strate après strate, des objets tridimensionnels à partir de poudres de matériaux métalliques qui sont portées à leur température de fusion grâce à l’énergie fournie par le faisceau laser.

Le procédé classique de fabrication additive par laser commence par l’élaboration d’un fichier informatique de type CAO (Conception Assistée par Ordinateur) qui va permettre de définir le volume de la pièce que l’on cherche à concevoir. Ce fichier informatique comprend une ou plusieurs strates à deux dimensions qui, lorsqu’on les superpose, permettent de reconstituer la pièce que l’on souhaite concevoir.

Après avoir étalé une couche d’épaisseur uniforme d’un matériau métallique à l’état de poudre sur une plateforme d’une machine de fabrication additive par faisceau laser, le faisceau laser trace une première strate 2D sur la surface de la couche de poudre métallique. Sous l’effet de l’énergie lumineuse apportée par le faisceau laser, la poudre métallique fond, puis se solidifie conformément au tracé de la première strate à 2 dimensions utilisée pour commander le déplacement du faisceau laser. Une nouvelle couche de poudre métallique est étalée sur toute la surface de la plateforme, puis le processus consistant à porter les particules de poudre métallique à leur température de fusion au moyen du faisceau laser est répété jusqu’à ce que la pièce soit terminée.

La fabrication de la pièce par impression additive se fait directement à la surface de la plateforme comme décrit ci-dessus. Dans certains cas, cette fabrication débute par la réalisation, couche après couche, d’un support sur la plateforme, et se poursuit par la réalisation de la pièce proprement dite. Le support sert dans ce cas à soutenir mécaniquement la pièce au fur et à mesure de sa fabrication sur la plateforme de la machine d’impression et permet d’évacuer la chaleur produite par la fusion de la poudre métallique au moyen du faisceau laser.

La pièce ainsi obtenue doit ensuite être précautionneusement retirée de la plateforme de la machine de fabrication additive et nettoyée de la poudre non fusionnée qui l’entoure. Dans le cas où la pièce a été fabriquée avec un support, on sépare la pièce de ce dernier.

L’un des inconvénients des procédés de fabrication additive par laser classiques réside dans le fait qu’après achèvement de la pièce recherchée, cette pièce doit être désolidarisée de la plateforme de la machine de fabrication additive puis, le cas échéant, détachée de son support. Il s’agit là d’une opération délicate qui demande beaucoup de temps et au cours de laquelle, malgré les précautions prises, de nombreuses pièces se déforment plastiquement et doivent être mises au rebut.

Une autre technique de fabrication additive par faisceau laser consiste à se munir d’un substrat que l’on installe dans la machine avant le début des opérations de fabrication. Ce substrat sur lequel la pièce va être fabriquée vient à fleur avec la surface de la plateforme de la machine de fabrication additive.

Le substrat qui est métallique permet d’évacuer efficacement la chaleur provoquée par la fusion de la poudre et donc de relaxer au moins en partie les contraintes thermiques qui sont présentes dans la pièce en cours de fabrication. Un traitement thermique additionnel après impression de la pièce permettra d’éliminer complètement les contraintes thermiques. La poudre métallique au moyen de laquelle la pièce est fabriquée est le plus souvent de même nature que le matériau dans lequel est réalisé le substrat car cela favorise l’accrochage de la pièce sur le substrat. Parfois, la composition de l’alliage dans lequel est réalisée la poudre varie légèrement par rapport à la composition de l’alliage du substrat. Il a déjà également été proposé d’utiliser pour fabriquer la pièce une poudre réalisée dans un métal différent de celui dans lequel est réalisé le substrat, ceci pour des raisons de coût par exemple lorsqu’on utilise un métal précieux pour réaliser la pièce, ou bien lorsqu’on utilise un métal différent à usiner comme le titane.

Par conséquent, jusqu’à présent, pour la fabrication additive de pièces au moyen d’un faisceau laser, le choix du matériau pour le substrat et pour la pièce fabriquée par impression additive sur le substrat se limitait le plus souvent au même métal pour le substrat et la pièce. Dans quelques cas, il a été proposé de réaliser la pièce dans un alliage métallique légèrement différent de celui dans lequel est réalisé le substrat ou bien dans un matériau dont on a montré qu’il était compatible avec le matériau du substrat.

Résumé de l’invention La présente invention a pour but de procurer un procédé de fabrication additive par laser permettant de varier les choix des matériaux utilisables pour réaliser des pièces mécaniques de manière fiable et reproductible.

A cet effet, la présente invention a pour objet un procédé de fabrication additive par laser d’une pièce mécanique à fonction technique et/ou décorative, cette pièce mécanique comprenant un substrat et une structure formée sur le substrat par fabrication additive par laser, ce procédé comprenant les étapes de :

- se munir d’un faisceau laser dont le fonctionnement va être commandé au moyen d’un ordinateur dans lequel est introduit un fichier informatique CAO à 2 dimensions qui correspond à la structure de la pièce mécanique recherchée, ou bien d’un fichier informatique CAO à 3 dimensions qui est découpé en strates à 2 dimensions qui, une fois superposées, permettent de former la structure de la pièce mécanique recherchée, un autre fichier informatique renfermant les paramètres de fonctionnement du faisceau laser ;

- se munir d’un substrat réalisé en un matériau céramique dont la température de fusion est supérieure à la température mise en jeu par la fabrication additive par laser ;

- disposer le substrat sur une plateforme d’une enceinte de fabrication ;

- fermer l’enceinte de fabrication et créer dans cette enceinte de fabrication une atmosphère d’un gaz neutre ;

- déposer sur le substrat au moins une première couche d’une poudre d’au moins un premier matériau métallique à fusionner ;

- égaliser la première couche du premier matériau métallique à fusionner afin que cette première couche présente une épaisseur sensiblement uniforme ; - activer le faisceau laser et soumettre au moyen de ce faisceau laser la première couche du premier matériau métallique à une étape de fusion sélective en accord avec le fichier informatique CAO qui correspond à la strate à 2 dimensions de la structure de la pièce mécanique recherchée ;

- déposer sur le substrat au moins une deuxième couche d’une poudre métallique du même matériau que celui à l’aide duquel a été réalisée la première couche ou bien d’un deuxième matériau métallique qui est différent du premier matériau métallique ;

- égaliser la deuxième couche et soumettre cette deuxième couche à une étape de fusion sélective au moyen du faisceau laser en accord avec la strate à deux dimensions suivante du fichier informatique CAO ;

- le cas échéant, répéter les opérations jusqu’à obtenir la pièce mécanique recherchée constituée du substrat et de la structure formée sur le substrat par fabrication additive par laser ; - sortir la pièce mécanique de l’enceinte de fabrication, enlever le surplus de matériau métallique et nettoyer l’ensemble, et

- le cas échéant, soumettre la pièce à des opérations de finition comme le polissage.

Grâce à ces caractéristiques, la présente invention procure un procédé de fabrication additive par laser permettant l’utilisation conjointe d’un substrat céramique massif et d’une poudre métallique pour réaliser des pièces mécaniques à fonction technique et/ou décorative de très grande qualité. On a en effet observé que la structure métallique obtenue par fusion laser adhère suffisamment au substrat céramique sur lequel cette structure est fabriquée et permet d’obtenir des pièces mécaniques pouvant être directement utilisées dans les objets dans lesquels ces dernières sont destinées à être montées. Ce résultat est assez surprenant étant donné qu’a priori, l’affinité chimique (ionique/covalence) entre les atomes de métal liés entre eux par des liaisons ioniques et l’oxygène renfermé dans les céramiques dont les atomes sont liés par des liaisons covalentes est faible. Néanmoins, il a notamment été observé que les atomes de titane s’associent bien avec l’oxygène renfermé dans le substrat en céramique pour former des molécules de dioxyde de titane PO2. De même, les atomes d’aluminium ont une bonne affinité pour les atomes d’oxygène d’un substrat en alumine, en saphir ou en zircone par exemple.

Le substrat appartient à la pièce mécanique à fonction technique et/ou décorative qui résulte du procédé de l’invention ; ce substrat fait partie intégrante de cette pièce mécanique, et n’est pas destiné à être séparé de la structure obtenue par fabrication additive laser à l’issue du procédé. En effet, on a remarqué que cette structure adhère suffisamment bien à la surface du substrat sur lequel elle a été réalisée pour que la pièce mécanique résultante puisse être intégrée telle quelle dans l’objet auquel elle est destinée. Ainsi, grâce à l’invention, on évite l’étape périlleuse consistant à séparer la pièce obtenue par fabrication additive laser de la plateforme de la machine de fabrication additive, de sorte que les risques de déformation plastique qui peuvent conduire à la destruction de la pièce, sont évités. De même, éviter cette étape de séparation permet de gagner du temps, notamment parce qu’il n’est pas nécessaire de devoir fixer, par exemple par collage, les pièces obtenues par fabrication additive sur des substrats séparés.

Selon des formes spéciales d’exécution de l’invention :

- avant l’étape de fusion sélective de la couche de matériau en poudre, on peut soumettre le substrat à un traitement de surface ;

- le traitement de surface consiste en une opération d’implantation ionique, en un traitement par torche plasma ou en un traitement de dépôt physique en phase vapeur ;

- le substrat est préchauffé préalablement à l’étape de fusion sélective de la couche de matériau en poudre ; - le substrat est préchauffé jusqu’à une température n’excédant pas 400°C ;

- l’épaisseur du substrat est d’au moins 100 pm ;

- le gaz neutre est de l’argon et la concentration volumique en oxygène dans l’enceinte de fabrication est inférieure à 0.5% ;

- le matériau céramique est choisi dans le groupe formé par le verre borosilicate, l’alumine, le saphir, le borure de titane, l’oxyde de titane PO2, le carbure de titane, le carbure de tungstène, le nitrure de silicium, la zircone, l’émeraude, le rubis et le diamant ;

- le matériau métallique est choisi dans le groupe formé par l’aluminium, l’acier, le titane, le zirconium, le palladium, le platine, l’argent et l’or ;

- l’épaisseur d’une couche du matériau déposée sur le substrat est comprise entre 20 pm et 45 pm ;

- le faisceau laser est de type Nd : YAG ;

- la puissance maximale du faisceau laser est comprise entre 100 Watts et 300 Watts ;

- la strate à 2 dimensions de la pièce mécanique recherchée présente un contour qui délimite au moins une surface.

- la taille des particules qui forment les poudres est comprise entre 5 pm et 63 pm, et

- les poudres de matériaux utilisées sont de type D10-D90, c’est-à-dire que 90% des particules qui forment ces poudres ont un diamètre inférieur à 63 pm, et 10% de ces particules ont un diamètre inférieur à 5 pm.

La présente invention concerne également une pièce mécanique à fonction technique et/ou décorative, cette pièce mécanique comprenant un substrat en céramique et une structure métallique formée sur le substrat par fabrication additive par laser. On notera en particulier que soumettre le substrat céramique à un traitement de surface par implantation ionique, torche plasma ou dépôt physique en phase vapeur préalablement à l’étape de fusion sélective de la couche de matériau métallique en poudre permet d’améliorer davantage encore la force d’accrochage de la structure formée sur le substrat avec ce dernier.

Brève description des figures

D’autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront plus clairement de la description détaillée qui suit d’un exemple de mise en œuvre du procédé de fabrication additive selon l’invention, cet exemple étant donné à titre purement illustratif et non limitatif seulement en liaison avec le dessin annexé sur lequel :

- la figure 1 est une représentation schématique d’une installation de fabrication additive par faisceau laser qui convient pour la mise en œuvre du procédé selon l’invention ;

- la figure 2 est une vue schématique de détail qui illustre la situation de l’installation de fabrication additive avant le début du procédé de fabrication additive ;

- la figure 3 est une vue schématique de détail qui illustre le dépôt de la première couche de matériau en poudre à fusionner sur le substrat ;

- la figure 4 est une vue schématique de détail qui illustre l’enlèvement du matériau en poudre en excès ;

- la figure 5 est une vue schématique de détail qui illustre l’étape de fusion sélective au moyen d’un faisceau laser de la première couche de matériau en poudre ;

- la figure 6 est une vue schématique de détail qui illustre l’étape de fusion sélective d’une couche de matériau en poudre supplémentaire ; - la figure 7 est une vue schématique de détail qui illustre l’étape finale de nettoyage du substrat, et

- la figure 8 illustre schématiquement une étape de préparation du substrat au moyen d’une torche à plasma préalablement au dépôt d’une première couche de matériau en poudre à fusionner sur le substrat.

Description détaillée d’un mode de réalisation de l’invention

La présente invention procède de l’idée générale inventive qui consiste à réaliser des pièces mécaniques à fonction technique et/ou décorative d’un seul tenant au moyen d’un procédé de fabrication additive par faisceau laser. Plus précisément, l’invention concerne un procédé de fabrication additive par faisceau laser dans lequel l’utilisation conjointe d’un substrat céramique massif et d’une poudre métallique pour réaliser la structure par fabrication additive laser permet d’obtenir des pièces mécaniques à fonction technique et/ou décorative de très grande qualité. On a en effet observé que la structure métallique obtenue par fusion laser adhère suffisamment au substrat céramique sur lequel cette structure est fabriquée et permet d’obtenir des pièces mécaniques pouvant être directement utilisées dans les objets dans lesquels ces dernières sont destinées à être montées. Il semble que cela soit dû en particulier à la bonne affinité chimique (ionique/covalence) entre les atomes de métal et l’oxygène renfermé dans les céramiques. Ainsi, les atomes de titane s’associent bien avec l’oxygène renfermé dans le substrat en céramique pour former des molécules de dioxyde de titane T1O2. De même, les atomes d’aluminium ont une grande affinité pour les atomes d’oxygène d’un substrat en alumine, en saphir ou en zircone par exemple. L’invention démontre ainsi qu’il est possible de combiner ou de lier entre eux des matériaux qui, jusqu’à présent, étaient considérés comme incompatibles.

Par contre, on a observé que l’on ne retrouvait pas la même affinité pour l’oxygène renfermé dans le matériau céramique dans le cas de l’or. C’est pourquoi, lorsque l’on souhaite faire croître une structure en or par fusion laser sur un substrat céramique, on préférera soumettre préalablement le substrat céramique à un traitement de surface par exemple du type implantation ionique, torche plasma ou bien encore dépôt physique en phase vapeur. Dans le cas d’un traitement plasma, le gaz utilisé pour créer la torche sera de préférence de l’air comprimé renfermant 22% d’oxygène et environ 70% d’azote.

Le substrat céramique utilisé pour réaliser la pièce mécanique recherchée fait partie intégrante de cette pièce mécanique et ne nécessite donc pas d’être dissocié de cette dernière une fois le procédé de fabrication terminé. Ce substrat céramique n’est donc pas destiné à être sacrifié et va servir de support permanent pour la structure obtenue grâce à la fabrication additive laser avec laquelle elle forme la pièce mécanique selon l’invention. Les risques de déformer, voire de détruire cette structure que l’on rencontrait dans l’art antérieur lors de la séparation d’une telle structure de son substrat de fabrication sont ainsi évités.

Conformément au procédé selon l’invention, on commence par se munir d’un substrat sur lequel on va faire croître une structure par fabrication additive au moyen d’un faisceau laser. Les formes et dimensions du substrat sont choisies en fonction de l’utilisation ultérieure qui sera faite de la pièce mécanique résultant de la mise en œuvre du présent procédé. Il suffira que le substrat présente au moins une surface plane sur laquelle pourra être réalisée l’opération de fabrication additive. Pour des questions de solidité, on préférera cependant que l’épaisseur du substrat ne soit pas inférieure à 100 pm. Ce substrat est réalisé en un matériau céramique dont la température de fusion est supérieure à la température mise en jeu par la fabrication additive par fusion laser. Le substrat est réalisé en un matériau céramique tel que l’alumine AI2O3, le saphir, l’oxyde de titane PO2 ou bien la zircone ZrÜ2. D’autres matériaux céramiques convenant également bien sont le nitrure de silicium S13N4 et le carbure de titane TiC. Une fois le substrat sélectionné et introduit dans une enceinte de fabrication, on dépose sur ce substrat une couche d’un matériau à l’état de poudre que l’on fera ensuite fusionner de manière sélective au moyen du faisceau laser. Ce matériau pulvérulent est différent du matériau dans lequel est réalisé le substrat. Ce matériau pulvérulent est un matériau métallique tel que de l’aluminium, de l’or, du platine, du titane, de l’acier ou bien encore du zirconium.

Dans le cas de l’aluminium, le choix se portera de préférence sur un alliage d’aluminium 6061 comprenant entre 95.85 et 98.56% en poids d’aluminium, 0.4 à 0.8% en poids de silicium, un maximum de 0.7% en poids de fer (pas de minimum requis), 0.15 à 0.4% en poids de cuivre, un maximum de 0.15% en poids de manganèse (pas de minimum requis), entre 0.8 et 1.2% de magnésium, entre 0.04 et 0.35% de chrome, un maximum de 0.25% en poids de zinc (pas de minimum requis), un maximum de 0.15% en poids de titane (pas de minimum requis), la concentration des autres éléments ne devant pas excéder 0.05% en poids chacun, la concentration totale de ces autres éléments ne devant pas excéder 0.15% en poids. La poudre d’aluminium 6061 utilisée dans le cadre de la présente invention est formée d’un mélange de particules dont le diamètre est compris entre 5 et 63 pm.

Des pièces réalisées par dépôt de 10 à 20 couches de la poudre d'aluminium détaillée ci-dessus ont été structurées sur un substrat en zircone. De même, un substrat en zircone a été utilisé pour fabriquer des pièces à partir d’une poudre de titane TiAl6V4.

Dans le cas de l’or, il s’agit préférentiellement d’or 18 carats renfermant 750 millièmes d’or pur, 50 millièmes d’argent et 198.5 millièmes de cuivre. La poudre d’or utilisée dans le cadre de la présente invention est formée d’un mélange de particules dont le diamètre est compris entre 5 et 45 pm. Des pièces réalisées par dépôt de 10 à 20 couches de la poudre d'or détaillée ci-dessus ont été structurées sur des substrats en saphir et en zircone.

Une fois la couche de matériau en poudre étalée sur le substrat, elle est égalisée par balayage mécanique afin de présenter une épaisseur sensiblement uniforme, typiquement de l’ordre de 15-50 pm. On comprendra qu’au cours de cette opération de balayage, les particules de poudre dont le diamètre ou l’une au moins des dimensions excède l’épaisseur de la couche sont enlevées du substrat.

Une fois la couche de matériau en poudre égalisée, l’enceinte de fabrication est refermée et on crée dans le volume de cette enceinte une atmosphère de gaz neutre. Le gaz neutre choisi est préférentiellement, mais non limitativement, de l’argon, et la concentration volumique en oxygène dans l’enceinte de fabrication est inférieure à 0.5%. Le dispositif laser utilisé dans le cadre de la présente invention est par exemple un laser de type Yb : YAG, dont la puissance maximale est égale à 100 Watts et qui émet en continu. A titre d’exemple préféré mais non limitatif, selon le type de faisceau laser choisi, la puissance de celui-ci est fixée à une valeur de travail comprise entre 10 et 35 Watts et sa vitesse de déplacement à la surface du substrat est comprise entre 100 et 700 mm/s. Le faisceau laser fait fondre la couche de matériau en poudre répandue sur le substrat selon un tracé déterminé par un ordinateur dans lequel est stocké un fichier informatique CAO. Ce fichier correspond à une ou plusieurs strates à 2 dimensions qui, une fois superposées, permettent de former dans la couche de matériau en poudre la structure de la pièce mécanique recherchée. Un autre fichier informatique renfermant, pour chaque strate de la pièce mécanique recherchée, les paramètres de fonctionnement du faisceau laser tels que la puissance du faisceau laser, la vitesse de déplacement du faisceau laser et le tracé que ce faisceau laser doit parcourir est également utilisé. Chaque strate de matériau fondu a donc une épaisseur comprise entre 15 pm et 50 pm. L’épaisseur de la structure finale peut être de l’ordre de 500 pm à 1 mm. La seule différence entre ces valeurs réside dans le temps de fabrication qui est d’autant plus long que la structure finale est épaisse.

Après avoir structuré la première couche de matériau en poudre en faisant fusionner ce matériau de manière sélective conformément aux instructions renfermées dans le fichier informatique CAO, on enlève le surplus de matériau, puis on dépose sur le substrat une deuxième couche d’un matériau en poudre qui peut être le même que celui utilisé pour réaliser la première couche ou bien être différent. Finalement, on répète les opérations jusqu’à obtenir la pièce mécanique recherchée constituée du substrat et de la structure formée sur le substrat par fabrication additive par laser. La pièce mécanique résultante est sortie de l’enceinte de fabrication, on enlève le surplus de matériau et on nettoie l’ensemble. La pièce mécanique résultante est prête à l’emploi.

La figure 1 est une représentation schématique d’une installation de fabrication additive par faisceau laser qui convient pour la mise en œuvre du procédé selon l’invention. Désignée dans son ensemble par la référence numérique générale 1 , cette installation de fabrication additive comprend une enceinte de fabrication 2 à l’intérieur de laquelle est agencée une plateforme 4 sur laquelle est posé un substrat 6. Préférentiellement, la plateforme 4 est couplée avec un premier piston 8 afin de pouvoir être déplacée verticalement de bas en haut et de haut en bas. L’installation de fabrication additive 1 comprend également un premier réservoir 10 et un second réservoir 12 tous deux disposés à l’intérieur de l’enceinte de fabrication 2. Le premier réservoir 10 à l’intérieur duquel se déplace un second piston 14 sert au stockage d’un matériau en poudre à fusionner. Quant au second réservoir 12, il sert de réceptacle aux excès de poudre du matériau à fusionner ainsi qu’aux déchets issus de l’étape de fusion sélective. L’enceinte de fabrication 2 renferme également un faisceau laser 16 disposé à l’aplomb de la plateforme 4 sur laquelle est posée le substrat 6 ainsi qu’une tête de transfert 18 de la poudre du matériau à fusionner.

A la figure 2, le substrat 6 est mis à fleur avec une surface d’impression 20 en actionnant, si nécessaire, le premier piston 8 qui commande les déplacements de la plateforme 4 sur laquelle est placé le substrat 6. Dans le même temps, on actionne le second piston 14 de façon à amener une quantité de poudre 22 du matériau à fusionner à la hauteur de la surface d’impression 20.

A la figure 3, la tête de transfert 18 se charge d’amener la quantité de poudre 22 du matériau à fusionner sur le substrat 6. A cette fin, la tête de transfert 18 est équipée d’une première et d’une seconde raclette 24 et 26 qui peuvent être sélectivement soulevées ou abaissées. Comme visible sur la figure 3, pour amener la quantité de poudre 22 sur le substrat 6, la tête de transfert 18 est translatée vers la gauche de la figure, la première raclette 24 étant soulevée pour ne pas s’opposer à l’avancement de la quantité de poudre 22, et la seconde raclette 26 étant abaissée afin de pouvoir déplacer cette quantité de poudre 22.

Inversement, à la figure 4, la tête de transfert 18 est déplacée vers la droite de la figure avec la première raclette 24 abaissée et la seconde raclette 26 soulevée pour niveler et tasser la couche de matériau en poudre 28 qui a été amenée sur le substrat 6.

A la figure 5, on procède à la fusion de la couche de matériau en poudre 28 à l’aide du faisceau laser 16. A cet effet, le fonctionnement du faisceau laser 16 va être commandé au moyen d’un ordinateur dans lequel est introduit un fichier informatique CAO qui est découpé en une ou plusieurs strates qui, une fois superposées, permettent de former la structure 30 de la pièce mécanique 32 recherchée.

A la figure 6, la plateforme 4 sur laquelle est placé le substrat 6 est abaissée par actionnement du premier piston 8 afin d’amener à nouveau le substrat 6 sur la surface duquel a été structurée la première couche de matériau en poudre 28 à fleur avec la surface d’impression 20. Ensuite, si l’on souhaite structurer une nouvelle couche de matériau en poudre sur la surface du substrat 6, on répète les opérations qui ont été détaillées ci-dessus en liaison avec les figures 2 à 5.

Finalement, quand la structure 30 recherchée est obtenue en ayant soumis la première couche de matériau en poudre 28 à une étape de fusion sélective au moyen du faisceau laser 16, on peut, si cela est nécessaire, nettoyer la pièce mécanique 32 formée par le substrat 6 et la structure 30 par exemple au moyen d’un aspirateur 34 (voir figure 7).

Pour améliorer l’adhésion de la structure 30 obtenue par fabrication additive au moyen du faisceau laser 16 sur le substrat 6, il est possible, avant le début des opérations de fabrication, de soumettre le substrat 6 à un traitement de surface au moyen d’une torche plasma 36 (voir figure 8).

Il va de soi que la présente invention n’est pas limitée au mode de réalisation qui vient d’être décrit et que diverses modifications et variantes simples peuvent être envisagées par l’homme du métier sans sortir du cadre de l’invention tel que défini par les revendications annexées. On comprendra notamment qu’au sens de la présente invention et de ses modes d’exécution particuliers, on entend par « pièce mécanique » des pièces qui peuvent être sollicitées mécaniquement comme des maillons d’un bracelet de montre, mais également des pièces qui n’ont qu’une fonction décorative telles qu’un cadran pour une pièce d’horlogerie à la surface duquel a été fabriquée une structure matérielle. Nomenclature

1. Installation de fabrication additive par faisceau laser

2. Enceinte de fabrication

4. Plateforme

6. Substrat

8. Premier piston

10. Premier réservoir

12. Second réservoir

14. Second piston

16. Faisceau laser

18. Tête de transfert

20. Surface d’impression

22. Quantité de poudre

24. Première raclette

26. Seconde raclette

28. Couche de matériau en poudre

30. Structure

32. Pièce mécanique

34. Aspirateur

36. Torche plasma