Titre de l'invention: Procédé de fabrication d’une pièce multi -matériaux par fabrication additive, selon la technique de fusion sélective ou de frittage sélectif de lit de poudre par laser

Domaine technique de l’invention

La présente invention se situe dans le domaine de la fabrication additive par la technique de fusion de lit de poudre par laser (LPBF pour « Laser Power Bed Fusion » en anglais), et plus précisément la fusion sélective de lit de poudre par laser (SLM pour « Sélective Laser Melting » en anglais) ou le frittage sélectif de lit de poudre par laser (SLS pour « Sélective Laser Sintering »), de manière à obtenir des pièces multi-matériaux. Dans la suite de la présente description, la fusion sélective pourra désigner autant la fusion que le frittage.

L'invention concerne un procédé de fabrication d'une pièce multi-matériaux par la technique de fusion sélective par laser, et une pièce multi-matériaux produite par ce procédé.

La problématique générale est de fabriquer des pièces multi-matériaux aux formes complexes, comprenant des parties métalliques et des parties en diélectrique dans le plan de fabrication et dans la direction de fabrication, ce qu’on désigne par pièces multi-matériaux « 3D ».

Le diélectrique désigne une substance de conductivité faible dans laquelle peut apparaître une forte polarisation électrique en présence d'un champ électrique. Un exemple de diélectrique visé par l’invention est une céramique oxyde (oxyde métallique) ou une céramique non oxyde telle une céramique nitrure (nitrure métallique) ou un oxyde de silicium (SiO _x ).

Certaines des pièces multi-matériaux 3D recherchées peuvent être constituées par des motifs périodiques en diélectrique inclus dans une matrice métallique ou inversement par des motifs périodiques en métal dans une matrice diélectrique. L’organisation périodique du diélectrique ou du métal peut générer en effet un métamatériau doté de propriétés originales. On entend par métamatériau un matériau composite artificiel qui présente des propriétés optiques, magnéto- optiques, acoustiques ou électromagnétiques qu'on ne retrouve pas dans un matériau naturel.

L’invention peut notamment trouver des applications dans la réalisation de pièces multi-matériaux pour des dispositifs électroniques, par exemple des dispositifs hyperfréquence passifs comme des filtres à résonateurs diélectriques ou des transitions 3D pour front-end hyperfréquence intégrés pour des antennes actives, pour des dispositifs métalliques comportant une protection thermique ou mécanique par un diélectrique, dispositifs métalliques dont les propriétés optiques sont modifiées par un diélectrique, et/ou de métamatériaux.

Etat de la technique

Les pièces multi-matériaux 3D recherchées comprennent des parties en métal et d’autres parties en diélectrique (typiquement une céramique oxyde métallique ou nitrure métallique) dans le plan de fabrication (XY) et dans la direction de fabrication (ZX ou ZY), comme cela est illustré en figures 1 A et IB dans lesquelles on voit des parties en diélectrique D dans une matrice métallique M (figure 1 A) ou des parties en métal M dans une matrice diélectrique D (figure IB).

Il est connu des solutions pour la fabrication additive multi-matériaux. Le terme de fabrication additive désigne selon la norme NF E 67-001, « l’ensemble des procédés permettant de fabriquer couche par couche par ajout de matière un objet physique à partir d’un objet numérique ». Ce terme regroupe des dizaines d’appellations de technologies de fabrication, classées en sept catégories de procédés selon la norme NF ASTM 52900.

La fabrication additive par jet de liant (« Binder Jetting » en anglais) est un procédé dans lequel un lit de poudre est étalé puis une buse projette un liant liquide pour solidifier une section de la pièce dans le plan de fabrication (XY). Il est nécessaire d’enlever le liant et de densifier la pièce par traitement thermique conventionnel. Il possible d’utiliser tout type de poudre (polymère, métal, céramique) ou mélange de poudres pour fabriquer des pièces multi-matériaux sous forme composite. Cependant, cette technique nécessite une étape supplémentaire, un contrôle du retrait du liant qui peut s’avérer critique lorsqu’il est important de respecter des dimensions de pièces, comme pour former des fonctions passives hyperfréquences. En outre cette technique ne permet pas, ou très difficilement, de former des matériaux différents dans un même plan (plan de fabrication XY).

La fabrication additive par jet de matière/encre (« Material Jetting » en anglais) est un procédé dans lequel une tête d’impression mobile selon les trois axes projette un polymère photosensible, qui joue le rôle d’une encre, qui est ensuite polymérisé par un rayonnement UV. Les polymères peuvent être chargés en particules d’intérêt (céramique, métal). Certains systèmes comprennent des têtes d’impression multicanaux permettant de projeter sélectivement différents polymères (qui peuvent être chargés avec des particules différentes). La photo-polymérisation produite par le rayonnement UV permet d’avoir une pièce multi-matériaux à matrice polymère contenant des parties chargées en céramique ou en métal dans les trois dimensions.

La fabrication additive par photopolymérisation en bac (« Vat Photopolymerization » en anglais) est un procédé dans lequel un polymère photosensible liquide est contenu dans un bac possédant au fond une fenêtre transparente au rayonnement UV : une source d’énergie (par exemple un Laser) polymérisé sélectivement la résine liquide dans le plan de fabrication par cette fenêtre. Une plateforme (support de fabrication) mobile dans la direction de fabrication monte d’une épaisseur contrôlée permettant à la résine liquide de remplir l’interstice entre la précédente couche polymérisée et la fenêtre transparente. Une nouvelle itération se produit, et ainsi de suite de manière à obtenir la pièce recherchée. Les résines peuvent être chargées en particules d’intérêt (métal ou céramique) de manière à former un mono-matériau ou un composite. Cette technique nécessite de disposer de dispositifs adaptés, permettant de changer le bain de résine en cours de fabrication, de manière à obtenir réellement une pièce multi-matériaux dans les trois directions et pas seulement un composite.

La fabrication additive par extrusion de matière (« Material Extrusion » en anglais) est un procédé dans lequel une tête d’impression mobile selon les trois axes extrude un filament à matrice polymère en continu de manière à fabriquer une pièce. Des têtes d’impressions multi-filaments, dont les filaments à matrice polymère peuvent être chargés en particules d’intérêt (métal ou céramique), permettent de fabriquer des pièces multi-matériaux.

Ces trois dernières techniques de fabrication additive utilisent des polymères chargés en particules, ce qui induit les inconvénients suivantes :

- la tenue en température est limitée suivant le type de polymères, ce qui peut induire des problèmes de dimensions de pièces et/ou de parties de pièces non respectées, notamment si le polymère est retiré, ou de caractéristiques hyperfréquences insuffisantes;

- les pertes diélectriques en hyperfréquence notamment sont plus élevées sur les polymères que sur les céramiques, notamment si le polymère est maintenu ;

- la présence de polymère peut également induire de la pollution, le polymère ayant tendance à capter des particules puis à les relarguer.

La fabrication additive par dépôt d’énergie dirigée est un procédé dans lequel une tête mobile selon les trois directions projette de la poudre métallique qui est simultanément fondue sous faisceau laser (LENS pour « Laser Engineered Net Shaping » en anglais) ou d’électron (EBAM pour « Electron Beam Additive Manufacturing » en anglais) permettant l’obtention d’une pièce. Cependant, s’il semble possible d’empiler des couches de différents matériaux (empilements métal-métal et métal- céramique) à partir de la technologie LENS, d’une part la résolution des pièces est mauvaise pour des applications hyperfréquences et d’autre part, il ne s’agit que d’empilements de différents matériaux (donc dans la direction de fabrication) et cette technique ne permet pas de réaliser des matériaux différents dans un même plan (plan de fabrication) de manière simple et de respecter des contraintes dimensionnelles précises.

La fabrication additive par fusion de lit de poudre (« Power Bed Fusion » en anglais) est un procédé dans lequel une couche de poudre d’épaisseur contrôlée est étalée sur un plateau de fabrication. Cette poudre peut être un polymère, un métal, une céramique ou encore un mélange composite. Une source d’énergie (laser ou faisceau d’électrons) permet la fusion sélective ou le frittage sélectif de la poudre dans le plan de fabrication. Une autre couche de poudre est étalée sur la couche précédente puis l’itération de fabrication se poursuit de manière à former une pièce. Parmi cette famille de techniques, on peut citer les techniques décrites ci-après.

Il est à noter que le terme « sélectif » signifie dans des zones définies. En d’autres termes, les techniques de fusion sélective ou de frittage sélectif de lit de poudre permettent de faire fondre ou fritter la poudre en des zones particulières.

Pour le procédé dit MJF (« Multi Jet Fusion » en anglais), le matériau d’intérêt est mélangé à un polymère, avec l’inconvénient qui a déjà été décrit précédemment quant aux techniques de fabrication additive utilisant des polymères chargés en particules d’intérêt.

Pour le procédé de frittage sélectif par laser dit SLS (« Sélective Laser Sintering » en anglais) dit « indirect » ou pour le procédé de fusion sélective par laser dit SLM (« Sélective Laser Melting » en anglais) dit « indirect », des matériaux d’intérêt comme les métaux et les céramiques à température de fusion élevée sont enrobés ou mélangés à des polymères, puis traités dans la machine SLS ou SLM. Sous l'effet du laser, ces polymères fondent et lient ensemble les matériaux métalliques ou céramiques, et les matériaux sont frittés à haute température après évaporation du polymère. Ainsi, on retrouve l’inconvénient qui a déjà été décrit précédemment quant aux techniques de fabrication additive utilisant des polymères chargés en particules d’intérêt. En outre, cela permet de réaliser des multi -matériaux composites mais pas des pièces avec des parties en métal et des parties en céramique ou plus largement en diélectrique, et ce en 3D, comme recherché par la présente invention. Pour le procédé EBM (« Electron Beam Melting » en anglais), seul un conducteur (métal) peut être utilisé, ce qui ne permet pas de réaliser des pièces comprenant des parties en métal et des parties en céramique (typiquement oxyde ou nitrure métallique associé).

Pour le procédé SLM (« Sélective Laser Melting » en anglais), des poudres métalliques, céramiques ou cermet (mélange céramique-métal) peuvent être utilisées de manière à fabriquer des pièces multi -matériaux en 3D c'est-à-dire comprenant des parties en métal et d’autres parties en céramique dans le plan de fabrication et dans la direction de fabrication. Mais cela nécessite généralement d’utiliser un dispositif expérimental adapté ou de changer la poudre en cours de fabrication, ce qui complexifie dans les deux cas le procédé. En outre, s’il semble possible, dans ces conditions, d’empiler des couches de matériaux différents selon la direction de fabrication (changement des poudres en cours de fabrication, par exemple une poudre de céramique remplace la poudre métallique ou inversement), cela induit des risques de pollution d’une poudre par une autre. Enfin, les techniques SLM connues ne permettent pas d’obtenir deux matériaux différents dans le plan de fabrication.

Ainsi, soit les techniques connues citées ne permettent pas de fabriquer des pièces multi-matériaux, avec des matériaux différents dans le plan de fabrication, soit elles soulèvent d’autres difficultés qui rendent compliquée voire impossible la réalisation de pièces dans les applications hyperfréquence notamment visées par l’invention.

L’invention vise à surmonter les inconvénients précités de l’art antérieur.

Plus précisément, l’invention vise à disposer d’un procédé de fabrication de pièces multi-matériaux et en particulier des pièces multi-matériaux aux formes complexes, comprenant des parties en métal et des parties en diélectrique (typiquement céramique oxyde métallique ou céramique nitrure métallique) dans le plan de fabrication et dans la direction de fabrication.

En particulier, l’invention vise à fabriquer des pièces multi-matériaux avec des parties métalliques et diélectriques distinctes dans les trois directions de l’espace agencées de manière périodique ou non, et ce, sans limite de facteur de forme et avec une précision en rapport avec les domaines visés, par exemple avec les besoins hyperfréquences (soit typiquement inférieure ou égal à 100 pm, en fonction de la taille du faisceau laser, de la diffusion de la chaleur autour du faisceau laser et aussi de la bande de fréquence visée).

De manière avantageuse, l’invention vise à disposer d’un procédé de fabrication dans lequel il n’est pas nécessaire de changer de poudre en cours de fabrication.

De manière avantageuse, l’invention vise à disposer d’un procédé de fabrication qui permette d’utiliser un dispositif classique de fusion sélective par laser, c'est-à-dire qui ne nécessite pas d’adapter de manière importante ce dernier.

Exposé de l’invention

Un objet de l’invention permettant de remédier à ces inconvénients est un procédé de fabrication d’une pièce multi-matériaux par fabrication additive, ledit procédé comprenant les étapes suivantes : a) une étape de fourniture d’une poudre métallique prétraitée comprenant des grains et une couche oxydée et poreuse en surface desdits grains ; b) une étape de fusion sélective de lit de poudre par laser comprenant la mise en œuvre des étapes i) et ii) suivantes : i) une étape de formation d’une couche à partir de la poudre métallique prétraitée ; ii) une étape de fusion par laser de tout ou partie de ladite couche de poudre métallique prétraitée, ladite étape de fusion étant réalisée sous atmosphère réactive et ladite étape de fusion comprenant l’adaptation de paramètres d’application du laser pour transformer au moins une première zone de ladite couche de poudre métallique prétraitée de manière à en abaisser la conductivité électrique, formant ainsi un diélectrique, et pour densifier au moins une seconde zone de ladite couche de poudre métallique prétraitée sans la transformer, la au moins une première zone étant formée lorsque les paramètres d’application du laser permettent d’appliquer une première densité d’énergie à ladite première zone et/ou de maintenir le faisceau laser pendant une première durée de maintien sur ladite première zone, la au moins une seconde zone étant formée lorsque les paramètres d’application du laser permettent d’appliquer une seconde densité d’énergie à ladite seconde zone et/ou de maintenir le faisceau laser pendant une seconde durée de maintien sur ladite seconde zone, et la première densité d’énergie étant supérieure à la seconde densité d’énergie et/ou la première durée de maintien étant supérieure à la seconde durée de maintien.

Le procédé est ainsi réalisé selon la technique de fusion sélective ou frittage sélectif de lit de poudre par laser.

La couche de poudre métallique prétraitée peut comprendre une ou des zones non soumises au laser, comme c’est généralement le cas pour réaliser des pièces par fabrication additive selon une technique de fusion de lit de poudre.

La formation d’une couche de poudre métallique prétraitée est réalisée par le dépôt de poudre métallique prétraitée, typiquement sur un support ou sur une couche précédemment formée. L’épaisseur de la couche formée peut varier d’une couche à une autre.

Pour au moins une couche, on obtient un matériau avec une première zone majoritairement diélectrique et une seconde zone majoritairement métallique.

Le procédé peut comprendre une pluralité de successions d’étapes i) et ii).

Le procédé peut aussi comprendre pour au moins une couche de poudre, une étape alternative à l’étape ii) dans laquelle il est formé seulement au moins une première zone majoritairement diélectrique.

Le procédé peut aussi comprendre pour au moins une couche de poudre, une étape alternative à l’étape ii) dans laquelle il est formé seulement au moins une seconde zone majoritairement métallique.

La solution est d’utiliser une poudre métallique prétraitée, généralement un prétraitement chimique à l’aide d’un réactif oxydant (réaction d’oxy do-réduction). La poudre peut être fournie déjà prétraitée, ou être prétraitée pendant le procédé.

Le prétraitement de la poudre doit être adapté pour remplacer toute couche compacte de passivation du métal par une couche oxydée (état de valence du métal supérieur à zéro) et poreuse. Cette couche oxydée et poreuse permet de faciliter la modification ultérieure du métal en diélectrique au cœur des grains de la poudre lors de la fabrication additive, en fonction des motifs recherchés. La modification de la surface des grains permet d’accroître l’absorbance optique et donc de faciliter la transformation en diélectrique.

Un exemple de diélectrique visé par l’invention est une céramique oxyde (oxyde métallique) ou une céramique non oxyde telle une céramique nitrure (nitrure métallique), associé au métal ou à un métal de l’alliage de la poudre métallique. Un autre exemple est un oxyde de silicium (SiO _x ).

Comme toute poudre de fabrication additive, cette poudre prétraitée peut être ensuite mise en place dans un réservoir d’alimentation en poudre d’une machine de fabrication additive par fusion laser de lit de poudre.

Ce prétraitement, combiné avec des paramètres d’application laser adaptés, permet de transformer et fondre la poudre métallique prétraitée en diélectrique ou différemment de fondre la poudre métallique pour la densifier sans la transformer, et ce, dans le plan de fabrication (sur une couche de poudre) et selon la direction de fabrication (selon les différentes couches). Les paramètres d’application laser sont en effet adaptés soit pour porter et maintenir de la poudre à une température et pendant une durée suffisantes pour former un diélectrique, soit pour porter de la poudre à une température plus adaptée, et surtout pendant une durée moindre afin de conserver le métal majoritaire, sans la transformer tout en provoquant sa densification. Les paramètres sont donc adaptés en fonction des zones qu’on souhaite majoritairement transformer en diélectrique, ou majoritairement densifier sous forme métallique.

Les termes « densification » et « densifier » sont connus de l’homme du métier dans le domaine de la métallurgie des poudres. Ils désignent l’augmentation de la masse volumique d'un matériau, généralement par frittage ou par fusion. La densification d’une poudre revient à agglomérer les grains entre eux de manière à former un matériau dont la porosité est diminuée voire annulée. Le terme « dense » désigne un matériau à faible porosité voire sans porosité.

L’invention consiste donc à ajuster la réactivité d’une poudre métallique par un prétraitement préalable visant à créer une couche poreuse oxydée en sa surface, afin qu’elle puisse ensuite, lors de l’étape de fusion sélective de la poudre, être transformée en diélectrique ou seulement densifiée à l’état métallique selon des zones prédéterminées. La géométrie et le positionnement relatif des zones à prédominante diélectrique et des zones à prédominance métallique peuvent être fixées par la programmation d’un dispositif de fabrication additive conventionnel. L’invention permet donc de régler la sélectivité de la poudre métallique autant dans le plan de fabrication que dans la direction de fabrication, avec des facteurs de forme en rapport avec une technique LPBF.

C’est un avantage important de l’invention par rapport aux solutions de l’art antérieur car elle permet la réalisation de pièces multi-matériaux sans limitation des facteurs de forme que ce soit pour le métal ou le diélectrique, et ce, en limitant les risques d’erreurs dimensionnelles.

Un autre avantage du procédé est sa simplicité.

En particulier, le procédé de l’invention permet de n’utiliser qu’une seule poudre, qui est une poudre métallique, contrairement à des procédés de l’état de la technique qui nécessitent de disposer de plusieurs poudres pour réaliser des pièces multi-matériaux. Il permet donc de s’affranchir de la mise en œuvre successive de deux poudres (une poudre métallique et une poudre de matériau diélectrique, notamment céramique), qui a pour inconvénient de complexifier le procédé et le dispositif, et en outre de risquer de créer de la pollution d’un matériau par un autre.

De ce fait, l’invention ne nécessite pas d’adapter le dispositif de fabrication additive (en ajoutant par exemple un système de buses ou un système d’aspiration/dépôt de poudre pour réduire la pollution d’une poudre par une autre, systèmes qui sont généralement difficiles à adapter pour un dispositif de fusion laser de lit poudre). Il permet ainsi d’utiliser un dispositif conventionnel de fabrication additive par fusion de lit poudre.

Par définition, une poudre métallique est un métal ou un alliage à l'état finement divisé, comprenant une pluralité de grains. Les poudres standards utilisées pour la fabrication additive par fusion de lit de poudre ont des grains dont la granulométrie varie typiquement de quelques micromètres à quelques dizaines de micromètres.

Selon l’invention, la poudre métallique mise en œuvre est une poudre de métal ou une poudre d’alliage métallique et est adaptée pour la fabrication additive par fusion de lit de poudre.

Selon l’invention, « poudre métallique oxydée en surface » signifie que les grains de la poudre sont oxydés en surface, ou du moins qu’une majeure partie des grains sont oxydés en surface. Les grains ne sont ainsi pas oxydés dans tout leur volume, et doivent conserver majoritairement un volume métallique au cœur des grains. En outre, la couche oxydée est poreuse et remplace la couche de passivation des grains.

Typiquement, cela se traduit par exemple par la formation d’une couche oxydée poreuse, par exemple une couche d’oxyde métallique, d’hydroxyde métallique ou d’oxyhydroxyde métallique (si traitement chimique par une base) ou encore une couche de sel métallique (si traitement chimique par un acide) en surface des grains de la poudre métallique. Par simplification, dans la suite de la description, on pourra utiliser le terme «couche oxydée » pour désigner une telle couche oxydée et poreuse en surface.

Lorsqu’on utilise un réactif oxydant, il se produit une réaction d’oxy do-réduction avec le métal : le réactif oxyde le métal et le métal réduit le réactif. Le métal perd donc des électrons et forme un nouveau composé oxydé en surface des grains (de type sel métallique si réactif acide ou de type oxyde si réactif basique). L’attaque chimique modifie l’état de surface des grains métalliques en générant une couche poreuse.

De préférence, l’épaisseur de la couche oxydée et poreuse formée en surface des grains est supérieure ou égale à 0,02 pm. De préférence, l’épaisseur de la couche oxydée et poreuse formée en surface des grains est inférieure ou égale à 5 pm.

Selon un mode de réalisation, le procédé comprend, préalablement à l’étape de fourniture, une étape de prétraitement d’une poudre métallique de manière à former une couche oxydée et poreuse en surface des grains.

Selon un mode de réalisation, l’étape de prétraitement comprend la mise en contact de la poudre métallique avec un réactif oxydant pour réaliser une réaction d’oxy do-réduction de ladite poudre métallique, le réactif oxydant étant de préférence un acide fort ou une base forte, par exemple un acide halogéné ou un hydroxyde alcalin. De préférence, la mise en contact du réactif est réalisée autour de tous les grains. Le réactif est généralement sous forme d’une solution plus ou moins concentrée en élément actif. La solution peut imprégner la poudre ou être pulvérisée sur les grains.

Selon un mode de réalisation particulier, l’étape de prétraitement comprend la mise en contact de la poudre métallique avec un acide fort, de préférence un acide halogéné, par exemple l'acide chlorhydrique ou l’acide fluorhydrique.

Selon un autre mode de réalisation particulier, l’étape de prétraitement comprend la mise en contact de la poudre métallique avec une base forte, de préférence un hydroxyde alcalin, par exemple un hydroxyde de sodium ou un hydroxyde de potassium.

Selon un mode de réalisation alternatif, l’étape de prétraitement comprend la mise en contact de la poudre métallique avec de l’eau à une température supérieure ou égale à 80°C.

Selon un mode de réalisation, l’étape de prétraitement comprenant, ultérieurement à la réaction d’oxy do-réduction, au moins une parmi les étapes suivantes : une étape de séchage, une étape de broyage, une étape de tamisage.

D’autres techniques peuvent être mises en œuvre pour forme une couche oxydée et poreuse en surface des grains. Parmi elles, on peut citer un traitement plasma sous oxygène, un dépôt CVD (« Chemical Vapor Déposition »), une attaque par vapeur d’acide ou encore un traitement thermique approprié.

Ensuite, c'est-à-dire après l’étape de fourniture de la poudre prétraitée, il s’agit de transformer au moins une première zone de la poudre métallique prétraitée en diélectrique, et de densifier au moins une seconde zone de la poudre métallique prétraitée sous forme métallique sans la transformer.

Pour transformer la poudre métallique prétraitée en diélectrique lors de l’étape de fusion sélective de lit de poudre par laser, il faut produire une réaction chimique entre un gaz et la poudre métallique, à haute température pendant une certaine durée. Par exemple, le diélectrique peut être une céramique obtenue par une transformation chimique de la poudre métallique prétraitée, typiquement une oxydation, ou une nitruration.

Pour oxyder ainsi un métal, la cinétique d’oxydation de Wagner enseigne que la masse d’oxyde transformée à partir du métal et de l’oxygène de l’air dépend de :

- la surface de contact entre le gaz et le métal ;

- la température ;

- la durée de maintien en température ;

- la pression partielle en oxygène dans l’enceinte.

Par haute température, on entend une température supérieure ou égale à la température de fusion du métal ou de l’alliage métallique.

Cette cinétique donnée pour l’oxydation peut être généralisée pour la nitruration.

La température de la poudre métallique et le maintien en température sont liés à la densité d’énergie transmise à ladite poudre métallique.

La densité d’énergie, exprimée par unité de surface (en kJ/mm ² ), est définie par le produit de l’énergie transmise par la puissance du faisceau laser et de la durée de maintien du faisceau laser sur ladite unité de surface. Pour une zone donnée, l’énergie reçue est alors le produit de la densité d’énergie et de la surface de la zone sur laquelle le faisceau laser est maintenu.

Pour une puissance de laser donnée, la densité d’énergie est directement liée à la durée de maintien du laser sur une unité de surface (qui est logiquement liée à la durée de maintien en température).

Selon l’invention, certains paramètres d’application du laser sur la couche de poudre métallique prétraitée sont adaptés selon qu’il est recherché la formation d’un matériau diélectrique ou la densification du métal en une zone donnée de la couche. D’autres paramètres d’application du laser peuvent être maintenus constants selon qu’il est recherché la formation d’un matériau diélectrique ou la densification du métal.

En outre, d’autres paramètres de fabrication additive - qui ne sont pas des paramètres d’application du laser - sont généralement définis (épaisseur de mise en couche, atmosphère dans l’enceinte du dispositif de fabrication additive ...), bien que ces paramètres demeurent généralement constants selon qu’il est recherché la formation d’un matériau diélectrique ou la densification du métal.

Ainsi, des paramètres d’application du laser peuvent être adaptés selon les zones de manière à soumettre :

- une première densité d’énergie, c'est-à-dire un faisceau laser à une première puissance pendant une première durée de maintien à au moins une première zone de la couche de manière à transformer ladite première zone en matériau diélectrique ; et/ou

- une seconde densité d’énergie, c'est-à-dire un faisceau laser à une seconde puissance pendant une seconde durée de maintien à au moins une seconde zone de la couche de manière à densifier ladite seconde zone sans la transformer ; la première durée de maintien étant supérieure à la seconde durée de maintien ou/la première densité d’énergie étant supérieure à la seconde densité d’énergie.

Typiquement, la première durée de maintien est au moins cinq fois supérieure à la seconde durée de maintien, de préférence au moins dix fois.

Par exemple, la première durée de maintien est de l’ordre de la seconde, c'est-à-dire quelques secondes voire un peu moins d’une seconde, et la seconde durée de maintien est de l’ordre du dixième de seconde, c'est-à-dire quelques dixièmes de seconde, voire un peu moins d’un dixième de seconde, et inférieure à une seconde.

Selon un mode de réalisation particulier, la première densité d’énergie est comprise entre 6 et 30 kJ mm ² et/ou la seconde densité d’énergie est comprise entre 0,2 et 5 kJ mm ² .

De préférence, les paramètres d’application du laser permettant de faire varier la durée de maintien du faisceau laser et donc la densité d’énergie soumise à une zone de la couche de poudre sont choisis parmi : la vitesse de déplacement du laser, l’écartement entre deux positions successives du laser, la puissance du laser et la distance parcourue par le laser pendant un déplacement (et éventuellement la surface balayée par le laser). Ces paramètres peuvent agir sur la cinétique de transformation de la poudre métallique prétraitée et sont très aisément programmables.

Il est à noter que la distance parcourue par le laser n’est pas forcément rectiligne, comme cela sera décrit plus après. La première puissance de laser peut être comprise entre 30 et 60 W, par exemple 50 W. La seconde puissance de laser peut être comprise entre 30 et 60 W, par exemple 50 W.

Selon un mode de réalisation, la première puissance du laser pour former la au moins une première zone est égale à la seconde puissance du laser pour former la au moins une seconde zone.

Selon un mode de réalisation, la première vitesse de déplacement pour former la au moins une première zone est comprise entre 10 et 1000 mm. s ¹ et le premier écartement pour former la au moins une première zone est inférieur à 10 pm.

Selon un mode de réalisation particulier, la première vitesse de déplacement est comprise entre 100 et 1000 mm. s ¹ .

Selon un mode de réalisation, la seconde vitesse de déplacement pour former la au moins une seconde zone est comprise entre 30 et 5000 mm. s ¹ et le second écartement pour former la au moins une seconde zone est compris entre 1 et 200 pm.

Selon un mode de réalisation particulier, la seconde vitesse de déplacement est comprise entre 100 et 1000 mm. s ¹ .

Selon un mode de réalisation, la première distance parcourue par le laser pour former la au moins une première zone est inférieure ou égale à 2 mm.

A titre secondaire, il est possible de faire varier d’autres paramètres du laser, comme le diamètre du faisceau laser. Le diamètre du faisceau laser est typiquement compris entre 40 et 100 pm, par exemple égal à 70 pm. Mais il est possible de l’agrandir en le défocalisant. A même puissance laser, cela permet de diminuer la densité d’énergie soumise par le faisceau laser.

Selon un mode de réalisation, l’étape de fusion est réalisée sous atmosphère oxydante.

Selon un autre mode de réalisation, l’étape de fusion est réalisée sous atmosphère nitrurante.

Un autre objet de l’invention est une pièce obtenue par le procédé et comprenant au moins une première partie comprenant majoritairement des premières zones diélectriques et au moins une seconde partie comprenant majoritairement des secondes zones métalliques dans le plan de fabrication et dans la direction de fabrication.

Selon un mode de réalisation, la première partie est répartie de manière périodique dans une matrice métallique ou la seconde partie est répartie de manière périodique dans une matrice diélectrique.

Selon un mode de réalisation, la pièce comprend un cœur métallique recouvert d’une barrière thermique en diélectrique.

Brève description des figures

D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à l’aide de la description qui suit, donnée à titre illustratif et non limitatif, faite en regard des figures annexées parmi lesquelles

[Fig.lA] illustre une pièce multi-matériaux comprenant des parties en diélectrique dans une matrice métallique.

[Fig.lB] illustre une pièce multi-matériaux comprenant des parties métalliques dans une matrice diélectrique. [Fig.2] représente un dispositif de fabrication additive par fusion laser de lit de poudre (SLM).

[Fig.3] illustre quatre couches de poudre disposées l’une sur l’autre, indique l’épaisseur d’une couche et les paramètres d’application du laser.

[Fig.4] illustre des paramètres utilisés pour transformer la poudre métallique prétraitée en diélectrique ou la densifier sans la transformer.

[Fig.5A],

[Fig.5B],

[Fig.5C],

[Fig.5D] et

[Fig.5E] illustrent un premier exemple de pièces multi-matériaux obtenues par un premier exemple de procédé selon l’invention avec des variantes.

[Fig.6A],

[Fig.6B],

[Fig.6C] et

[Fig.6D] illustrent un second exemple de pièces multi-matériaux obtenues par un second exemple de procédé selon l’invention avec des variantes.

[Fig.7A] et

[Fig.7B] illustrent deux diagrammes d’Ellingham regroupant les courbes d’équilibre d’un métal et de ses oxydes pour plusieurs métaux.

Description détaillée de l’invention

Les figures 1 A et IB ont déjà été décrites et ne seront pas reprises ici.

L’invention concerne un procédé qui combine l’utilisation d’une poudre métallique prétraitée, c'est- à-dire avec une couche oxydée et poreuse en surface des grains de ladite poudre, et la fusion de ladite poudre prétraitée par la technique de fusion de lit poudre par laser, dont les paramètres sont adaptés pour fondre et transformer sélectivement le lit de poudre métallique prétraité en diélectrique majoritaire (typiquement céramique oxyde métallique ou céramique nitrure métallique) et/ou en métal majoritaire, sous atmosphère réactive (typiquement oxydante ou nitrurante).

Les paramètres de fabrication additive par la technique de fusion de lit poudre par laser comprennent des paramètres d’application du laser, mais aussi des paramètres de mise en couche de la poudre, le choix de l’atmosphère dans l’enceinte du dispositif de fabrication additive ...

Selon un mode de réalisation, le procédé comprend une étape de prétraitement d’une poudre métallique de manière à former une couche oxydée et poreuse en surface des grains.

Etape de prétraitement

Le but du prétraitement est de former en surface des grains de la poudre métallique une couche oxydée et poreuse. Cela permet de modifier la réactivité de la poudre avec le gaz contenu dans l’enceinte de l’étape de fabrication additive. L’épaisseur de la couche oxydée doit être suffisante pour modifier suffisamment l’absorbance de la poudre métallique. Elle ne doit cependant pas être trop importante afin de conserver majoritairement un volume métallique au cœur de chaque grain. En d’autres termes, le but du prétraitement est de modifier la surface des grains suffisamment pour rendre la poudre plus réactive avec le gaz contenu dans l’enceinte de fabrication additive en créant une couche oxydée poreuse autour des grains. Ceci a pour conséquence d’augmenter l’absorbance de la poudre pour la longueur d’onde du laser et donc de faciliter le transfert d’énergie vers la poudre tout en conservant la phase majoritaire métallique.

Les inventeurs ont déterminé qu’une épaisseur moyenne de surface oxydée et poreuse comprise entre 0,02 et 5 pm convenait, bien que cette plage ne soit pas limitative et qu’elle dépende notamment du métal ou de l’alliage constituant la poudre, de la granulométrie de ladite poudre, de la réactivité visée lors de l’étape de fabrication additive ...

Selon un mode de réalisation, le prétraitement est un prétraitement chimique, de préférence à l’aide d’un réactif oxydant, de manière à produire une réaction d’oxy do-réduction avec le métal. La réaction d’oxydo-réduction modifie l’état de surface des grains métalliques en générant une couche poreuse.

L’homme du métier sait que la réaction d’oxydoréduction dépend du pH (qui dépend lui-même de la concentration en réactif et de la constante de dissociation du réactif) et du potentiel de la solution contenant l’oxydant et le réducteur par rapport à l’électrode normale à hydrogène, selon le diagramme de Pourbaix. La réaction d’oxydoréduction peut donc être paramétrée en fonction du type de poudre métallique (réducteur), de l’oxydant choisi (par exemple base forte ou acide fort) qui conditionne la valeur du pH de la solution.

Après la réaction chimique entre la poudre et le réactif, le produit obtenu est généralement séché, broyé et/ou tamisé de manière à obtenir une poudre prétraitée homogène. Celle-ci peut être contrôlée pour vérifier l’homogénéité. Ces opérations sont connues de l’homme du métier, qui sait les adapter et les mettre en œuvre.

Exemples de réalisation de prétraitement chimique

Un exemple de réalisation est donné pour un alliage de type A1SÎ12 (aluminium très majoritaire). Les réactifs aptes à oxyder l’aluminium sont par exemple :

- des solutions aqueuses basiques d’hydroxyde alcalin concentrées (KOH, NaOH) pour donner un ion aluminate (AlO ² ) ou plus diluées pour donner G hydroxyde d’aluminium (Al(OH) ₃ ) ;

- les solutions aqueuses concentrées d’acide halogéné (HCl, HF) pour donner des sels d’aluminium tels que le fluorure d’aluminium (A1F ₆ ³ ) ou du chlorure d’aluminium (AICI3).

Pour des raisons de sécurité et pour éviter de générer des pollutions indésirables, les bases sont préférées aux acides halogénés.

Il est également possible d’utiliser de l’eau à une température supérieure ou égale à 80°C.

Pour que la réaction chimique soit homogène autour de tous les grains de la poudre, le liquide du réactif doit avantageusement envelopper tous les grains de la poudre. Les inventeurs ont utilisé une méthode de calcul pour déterminer un volume minimal pour enrober tous les grains de poudre d’alliage A1SÎ12 à partir de sa densité apparente (comprise entre 0,96 g. cm ³ et 1,44 g. cm ³ ) et sa densité réelle (2,66 g. cm ³ ). On obtient un volume massique apparent (compris entre 0,69 cm ³ . g ¹ et 1,04 cm ³ . g ¹ ) et un volume massique réel (0,38 cm ³ . g ¹ ). En calculant la différence entre les volumes massiques apparents et le volume massique réel, on obtient le volume massique interstitiel autour de la poudre compris entre 0,66 cm ³ . g ¹ et 0,31 cm ³ . g ¹ . En prenant le cas de la poudre la moins compacte, on a donc un volume massique interstitiel minimal de 0,66 cm ³ . g ¹ . Pour des raisons pratiques de calcul, de marge d’erreur et de manipulation, on arrondit ce volume massique à 1cm ³ . g ¹ . Il faut donc 1 millilitre de réactif pour 1 gramme de poudre d’alliage A1SÎ12 pour s’assurer d’une bonne imprégnation de tous les grains dans le réactif. Une telle méthode et ce ratio calculé peuvent s’appliquer à d’autres poudres métalliques à prétraiter (c'est-à-dire autres que l’alliage A1SÎ12).

En outre, cette méthode n’est pas limitative et d’autres méthodes sont possibles, autant par calcul, que par des essais par exemple.

Une fois le volume minimal de réactif déterminé pour une masse de poudre donnée, il faut déterminer la concentration du réactif. La concentration du réactif influence notamment :

- la nature de la phase oxydée obtenue en périphérie des grains ;

- l’épaisseur de la couche oxydée ;

- la topographie et la porosité de surface des grains oxydés.

Un exemple de réalisation est donné avec une solution d’hydroxyde de sodium (NaOH) comme réactif oxydant.

Pour oxyder de manière optimale une poudre d’alliage Al Si 12, les inventeurs ont déterminé une plage de concentration en hydroxyde de sodium (NaOH) comprise entre 0,125 mol.L ¹ et 5 mol.L ¹ dans la solution. Cette plage de concentration est donnée à titre indicatif, pour l’hydroxyde de sodium comme réactif et une poudre d’alliage A1SÎ12. Cette plage n’est en rien limitative, car elle dépend notamment du métal ou de l’alliage constituant la poudre, du réactif utilisé, de l’épaisseur de couche oxydée visée, du type de phase visée ...

La poudre métallique à traiter est mélangée avec la solution de réactif oxydant. Selon un exemple de réalisation, la poudre d’alliage A1SÎ12 est versée dans un récipient adapté, par exemple un cri stalli soir, de préférence métallique, puis la solution de réactif est ajoutée. La réaction entre la poudre métallique et le réactif étant très exothermique, il faut verser progressivement le réactif pour éviter l’emballement de la réaction puis mélanger régulièrement pour éviter que le produit ne colle aux parois du cri stalli soir.

Lorsque la réaction entre la poudre d’alliage A1SÎ12 et la solution de réactif est terminée, on procède à un séchage pour enlever l’eau, par exemple en chauffant le produit de la réaction autour de 150°C jusqu’il n’y ait plus de vapeur générée.

La poudre obtenue doit généralement être broyée et tamisée de manière à obtenir une granulométrie adaptée pour la fabrication additive.

La poudre ainsi obtenue peut enfin être contrôlée, par exemple à l’aide de DRX et/ou FTIR. L’attaque de la soude sur l’alliage A1SÎ12 génère en surface des grains une couche oxydée et poreuse avec principalement des aluminosilicates et du carbonate de sodium en présence de soude très concentrée ou de G hydroxyde d’aluminium et du carbonate de sodium en présence de soude moins concentrée. Grâce à la structure poreuse de la couche oxydée, l’oxydation au cœur des grains est facilitée lors de la fabrication additive. Ces éléments oxydés poreux peuvent, avec des paramètres de fusion par laser adaptés, se transformer facilement en alumine stoechiométrique majoritaire et quelques phases minoritaires telles que : alumine non stœchiométrique, aluminosilicates, résidus de métal.

De manière générale, il est à noter que l’homme du métier saura choisir un réactif adapté pour oxyder une poudre métallique donnée, notamment en fonction du (des) produit(s) et/ou phase(s) d’oxydation souhaité(s).

En outre, l’homme du métier saura adapter la concentration en réactif dans la solution en fonction du réactif choisi et de la poudre métallique à oxyder en surface.

Une méthode mise en œuvre par les inventeurs est de procéder à des essais avec des concentrations différentes de réactif mis en contact avec des échantillons identiques de poudres métalliques, puis de déterminer les épaisseurs obtenues autour des grains, les natures des phases oxydées, les porosités et/ou les absorbances obtenues, en utilisant par exemple une ou plusieurs des techniques suivantes :

- la diffractométrie de rayons X (DRX) qui permet de déterminer et quantifier les phases cristallines ;

- la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (ou « FTIR » pour « Fourier Transform InfraRed spectroscopy » en anglais) qui permet d’identifier les bandes de vibration moléculaires sur les poudres traitées, et de déterminer l’absorbance pour un laser MIR (moyen infrarouge) ;

- la spectrophotométrie (UV, visible, ou proche infrarouge) permet d’évaluer l’absorbance de la poudre traitée pour un laser NIR (proche infrarouge) ;

- une technique de mesure de densité réelle de la poudre traitée, par exemple à l’aide d’un pycnomètre hélium qui permet de suivre l’évolution de la densité de la poudre en cours de traitement.

Cette méthode permet de déterminer les concentrations de réactif les plus adaptées.

Cette méthode est indiquée à titre illustratif mais ne doit pas être considérée comme limitative, le(s) réactif(s) et les concentrations adaptées peuvent également être déterminés par la littérature et/ou des calculs et/ou des bases de données ...

Etape de fusion sélective de lit de poudre par laser

La figure 2 montre un dispositif 100 de fabrication additive sur lit de poudre dit SLM, permettant d’implémenter l’étape de fusion sélective de lit de poudre par laser, comprenant un plateau support 102 sur lequel une ou plusieurs pièces 2 sont fabriquées selon le procédé de fusion sélective d’un lit de poudre 1 par laser. Le système 100 comprend un réservoir 104 apte à contenir une poudre et un diffuseur de poudre 106 qui permet de déposer une couche de poudre du réservoir vers le support 102 où sous l’effet de l’énergie transmise par un laser 110, la fusion de la poudre opère pour produire une couche de la ou des pièces à fabriquer. Le processus de dépôt puis fusion se répète couche par couche jusqu’à l’obtention de la ou des pièces finales. Le plateau 102 descend à chaque fois qu’une couche est formée et qu’une nouvelle couche de poudre doit être déposée. L’ensemble est disposé dans une enceinte 108 étanche aux gaz qui permet de maîtriser l’atmosphère en gaz souhaitée. Il n’est pas décrit plus en détail le procédé complet, et l’homme du métier pourra se reporter à la nombreuse littérature sur les procédés de fabrication additive par fusion laser de lit de poudre et les variantes de réalisation basées sur ce même principe.

Ainsi, la poudre métallique prétraitée est placée dans le réservoir 104 et le diffuseur de poudre 106 permet de déposer une couche de ladite poudre vers le support 102. De façon logique, la première couche est déposée sur le support, et les couches suivantes sont déposées l’une sur l’autre.

La pièce que l’on souhaite fabriquer comprend des parties diélectriques et métalliques, même pour une même couche de poudre, qui correspondent à des zones différentes de ladite couche. Selon les zones, des paramètres d’application du laser sont adaptés.

La figure 3 illustre quatre couches de poudre métallique prétraitée (11, 12, 13, 14) disposées l’une sur l’autre, et indique l’épaisseur d’une couche (Th) et des paramètres d’application du laser : la puissance laser (P), la vitesse de déplacement (v) du laser, l’écartement (d) entre deux déplacements. La figure 3 illustre également un pavé dans une stratégie de balayage en damier. Le pavé a une surface (S) et un côté qui correspond au déplacement (D) du laser dans la direction longitudinale qui est aussi un paramètre d’application du laser qui peut être varié.

Les techniques de fusion de lit de poudre par laser utilisent différentes stratégies de balayage du faisceau laser. Pour la plupart des stratégies de balayage du laser sur une couche donnée, le faisceau laser parcourt une certaine distance (D) selon une direction longitudinale dans un sens donné, puis est décalé transversalement à la direction longitudinale d’une valeur d’écartement (d) donnée, et repart dans la direction longitudinale dans l’autre sens et ainsi de suite de manière à balayer toute une surface (S) définie sur la couche de poudre. Dans la stratégie en damier couramment mise en œuvre, la couche de poudre est divisée en pavés et la distance (D) parcourue par le laser correspond à un côté du pavé. Le balayage d’un pavé se fait par des successions de déplacements longitudinaux et de décalages transversaux. Puis on passe au balayage d’un autre pavé jusqu’à balayer tout le damier. Il y a généralement des recoupements entre les pavés.

Les stratégies de balayage sont en général définies par programmation du dispositif.

Avec le procédé de l’invention, la surface d’un pavé est soit majoritairement métallique (généralement avec des résidus de phases oxydées) soit majoritairement diélectrique (généralement avec des résidus métalliques voire des phases minoritaires oxydées). La surface d’un pavé est définie en fonction des surfaces de phases majoritairement métalliques et/ou diélectrique souhaitées.

La puissance du laser est généralement un premier paramètre à régler. En effet, une puissance trop faible ne permet pas d’apporter suffisamment d’énergie pour élever la poudre à une température suffisante et la transformer et à l’inverse une puissance trop élevée génère de l’ablation, rendant la fabrication additive impossible.

Plus exactement, on règle la densité de puissance surfacique, qui est liée à la puissance du laser et au diamètre du faisceau laser. Le laser est de préférence focalisé de manière à conserver une meilleure résolution. Typiquement le diamètre du faisceau laser est compris entre 40 et 100 pm, par exemple 70 pm. On peut garder la même puissance de laser pour la densification du métal sans transformation, ou on peut modifier la puissance de laser.

Dans tous les cas (transformation de la poudre ou densification sans transformation), la vitesse de déplacement du laser ne doit pas être trop faible, pour éviter des creusements et/ou des déformations dans le lit de poudre. Et elle ne doit pas être trop élevée pour permettre de chauffer la poudre suffisamment. La vitesse de déplacement du laser est typiquement comprise entre 10 mm. s ¹ et 5000 mm. s ¹ . La description qui suit donne des valeurs de vitesse particulièrement adaptées pour transformer une poudre métallique en un matériau diélectrique céramique (typiquement oxyde métallique ou nitrure métallique), ou pour densifier ladite poudre sans la transformer, et ce, en fonction d’autres paramètres d’application du laser.

Comme indiqué précédemment, pour transformer la poudre métallique prétraitée lors de l’étape de fusion sélective de lit de poudre par laser, il faut produire une réaction chimique entre un gaz et le métal, à haute température pendant une certaine durée.

Pour oxyder le métal, la cinétique d’oxydation de Wagner enseigne que la masse d’oxyde transformée à partir du métal et de l’oxygène de l’air dépend de :

- la surface de contact entre le gaz et le métal ;

- la température ;

- le temps de palier en température ;

- la pression partielle en oxygène dans l’enceinte.

Cette cinétique donnée pour l’oxydation peut être généralisée pour la nitruration.

Les paramètres utilisés pour transformer la poudre métallique prétraitée ou pour densifier la poudre métallique prétraitée sans la transformer sont illustrés en figure 4, en prenant exemple d’une pièce comprenant un cœur carré en matériau diélectrique et une périphérie métallique.

La température de la poudre étant liée à la densité de chaleur reçue, il faut donc, pour oxyder ou nitrurer une unité de surface de poudre donnée, appliquer le faisceau laser à la poudre métallique prétraitée avec un fort recouvrement inter-vecteur de manière à maintenir la surface de poudre à température élevée pour une durée suffisante (première durée de maintien ti), typiquement de l’ordre de la seconde, c'est-à-dire de quelques secondes, voire un peu moins d’une seconde. Des exemples de première durée de maintien f sont indiqués plus après.

Un recouvrement inter-vecteur désigne la distance entre les centres du faisceau laser de deux vecteurs de déplacement du laser consécutifs. Si cette distance de centre à centre est inférieure au diamètre du faisceau laser, il y a recouvrement.

Un fort recouvrement, suffisant pour transformer la poudre métallique en matériau diélectrique, est obtenu par une faible valeur d’écartement (première valeur d’écartement di). Des valeurs d’écartements inter-vecteurs typiques sont de l’ordre du pm, ce qui permet d’obtenir au moins 90% de recouvrement. Des exemples de première valeur d’écartement di sont donnés ci-après.

La vitesse de déplacement du faisceau laser, ou première vitesse de déplacement vi, combinée avec de faibles valeurs d’écartement, est adaptée pour transformer une unité de surface de poudre donnée en matériau diélectrique. Des exemples de première vitesse de déplacement vi sont donnés plus après. Comme la cinétique d’oxydation doit être relativement lente pour être efficace, le faisceau se déplace lentement et la puissance de laser peut être abaissée, ou n’est pas nécessairement augmentée.

Pour densifier la poudre métallique sans la transformer, le faisceau laser peut se déplacer à une vitesse (seconde vitesse de déplacement V2) équivalente à la première vitesse de déplacement vi, voire plus faible mais il faut un recouvrement inter-vecteur plus faible. Une faible valeur de recouvrement est obtenue par une forte valeur d’écartement (seconde valeur d’écartement d2). Des exemples de seconde vitesse de déplacement V2 et de seconds écartements d2 sont donnés plus après.

La seconde durée de maintien t ₂ en température est dans ce cas typiquement de l’ordre du dixième de seconde, c'est-à-dire quelques dixièmes de seconde, voire moins d’un dixième de seconde, et inférieure à une seconde. Des exemples de seconde durée de maintien t ₂ sont indiqués plus après.

Ainsi, les paramètres d’application du laser sont adaptés selon les zones de manière à soumettre :

- une première densité d’énergie Qi, c'est-à-dire un faisceau laser à une première puissance Pi pendant une première durée de maintien L à au moins une première zone d’une couche de poudre de manière à transformer ladite première partie en diélectrique ; et

- une seconde densité d’énergie Q ₂ , c'est-à-dire un faisceau laser à une seconde puissance P ₂ pendant une seconde durée de maintien t ₂ à au moins une seconde zone de la couche de poudre de manière à densifier ladite seconde partie en métal sans la transformer ; la première durée de maintien L étant supérieure à la seconde durée de maintien t ₂ ou la première densité d’énergie Qi est supérieure à la seconde densité d’énergie Q _2.

La première puissance de laser Pi peut être comprise entre 30 et 60 W. La seconde puissance P ₂ de laser peut être comprise entre 30 et 60 W. La première puissance de laser peut être égale à la seconde puissance de laser.

La première durée de maintien ti peut être comprise entre 0,7 et 2 secondes, de préférence entre 1 et 2 secondes.

La première densité d’énergie Qi peut être comprise entre 10 et 20 kJ.mm ² .

La seconde durée de maintien t ₂ peut être comprise entre 0,07 et 0,26 secondes, de préférence entre 0, 1 et 0,2 secondes.

La seconde densité d’énergie C peut être comprise entre 0,2 et 2 kJ.mm ² .

Comme indiqué précédemment, les paramètres d’application du laser permettant de faire varier la durée de maintien t du faisceau laser et donc la densité d’énergie Q soumise à une zone de la couche de poudre sont choisis parmi : la vitesse de déplacement v du laser, l’écartement d entre deux positions successives du laser, la puissance du laser P et la distance D parcourue par le laser pendant un déplacement (et éventuellement la surface S balayée par le laser). Ces paramètres peuvent agir sur la cinétique de transformation de la poudre métallique et sont très aisément programmables.

Les déplacements du faisceau laser sont généralement réalisés selon une direction que l’on nommera direction longitudinale. Ledit déplacement est généralement nommé « vecteur du laser » dont la longueur correspondant à la distance D. L’écartement d du faisceau laser correspond à un décalage entre deux déplacements longitudinaux du faisceau laser, dans le même plan et généralement transversalement à la direction longitudinale et est généralement nommé « écart entre deux vecteurs », ou écart « inter-vecteur »). Il est à noter que la distance parcourue par le laser n’est pas forcément rectiligne, notamment dans des déplacements concentriques du faisceau laser, comme cela sera décrit plus après.

On désigne par première vitesse de déplacement (vi), respectivement premier écartement (di), la vitesse de déplacement, respectivement G écartement, pour transformer une première partie de poudre en céramique. On désigne par seconde vitesse de déplacement (V2), respectivement second écartement (d2), la vitesse de déplacement, respectivement l’écartement, pour densifier une seconde partie de poudre en métal sans la transformer.

La première vitesse de déplacement vi peut être comprise entre 10 et 1000 mm. s ¹ , de préférence entre 50 et 1000 mm. s ¹ encore plus préférentiellement entre 100 et 1000 mm. s ¹ .

Le premier écartement di est de préférence inférieur à 10 pm et peut être compris entre 1 et 10 pm.

Le premier écartement et la première vitesse de déplacement sont liés : plus la première vitesse de déplacement est élevée, plus le premier écartement doit être faible pour appliquer un temps de maintien en température suffisant, et inversement on peut choisir un premier écartement élevé si la première vitesse de déplacement est faible.

La seconde vitesse de déplacement peut être comprise entre 30 et 5000 mm. s ¹ , de préférence entre 100 et 2000 mm. s ¹ encore plus préférentiellement entre 100 et 1000 mm. s ¹ _.

Le second écartement d2 peut être compris entre 1 et 200 pm, de préférence entre 10 et 200 pm, encore plus préférentiellement entre 20 et 100 pm, ou entre 50 et 100 pm.

Le second écartement et la seconde vitesse de déplacement sont liés : plus la seconde vitesse de déplacement est faible, plus le second écartement doit être élevé pour éviter d’appliquer un temps de maintien en température trop important, et inversement on peut choisir un second écartement faible si la seconde vitesse de déplacement est élevée.

La distance parcourue par le laser, liée à la stratégie de déplacement du faisceau laser, est un paramètre également utilisable. De préférence, la première distance parcourue par le laser pour former le matériau diélectrique est inférieure à 2 mm.

Les paramètres adaptés peuvent être déterminés préalablement en réalisant plusieurs échantillons identiques de poudre prétraitée, en faisant varier les paramètres d’application du laser sur les différents échantillons, les épaisseurs de poudre déposées, et/ou l’atmosphère dans l’enceinte, puis en caractérisant les pièces obtenues, qui sont nommées « matrices d’essai » et qui se présentent par exemple sous la forme de cubes identiques. Par exemple, en faisant varier les paramètres d’application du laser : la puissance du laser (P), la vitesse de déplacement (v) du laser, l’écartement (d) entre deux passages successifs du laser, voire la distance (D) du laser on obtient plusieurs cubes d’essais. Les cubes d’essais sont ensuite prélevés du support de fabrication et caractérisés pour déterminer quelle est la phase prédominante (métal ou diélectrique). Il est ainsi possible d’en déduire les paramètres qui conviennent pour former l’une ou l’autre des phases prédominantes, qui sont exprimées généralement sous forme de plages de paramètres. Ces paramètres déterminés peuvent ensuite être utilisés pour fabriquer directement la pièce souhaitée. L’épaisseur (Th) de couche de poudre métallique formée est supérieure ou égale au diamètre moyen des grains, typiquement supérieure ou égale à 30pm, de préférence supérieure ou égale à 50pm L’épaisseur de couche formée est en outre généralement inférieure ou égale à 200pm, de préférence inférieure ou égale à 150pm

L’enceinte est sous atmosphère réactive, oxydante ou nitrurante. Le gaz utilisé dans l’enceinte de fabrication additive participe à la réaction chimique permettant la transformation de la poudre de métal prétraitée en diélectrique.

La présence d’oxygène permet l’obtention d’une phase oxyde majoritaire de la poudre de métal prétraitée transformée (par exemple : AI2O3). La présence d’oxygène dans l’enceinte est typiquement obtenue avec une pression partielle en oxygène supérieure ou égale à 5%, de préférence supérieure ou égale à 10%. Cela peut être de l’air.

La présence d’azote permet l’obtention d’une phase nitrure majoritaire de la poudre de métal prétraitée transformée (par exemple : AIN). La présence d’azote dans l’enceinte peut être assurée avec de l’air, sachant que par la consommation d’oxygène, la pression partielle d’azote dans l’enceinte augmente. Il est possible de réaliser une atmosphère en azote majoritaire dans l’enceinte par un balayage en diazote une fois l’enceinte fermée et avant la fabrication.

Premier exemple de fusion sélective de lit de poudre par laser

Les trois pièces formées et les stratégies de balayages sont illustrées en figure 5A à 5E.

Les pièces formées sont des parallélépipèdes métal -céramique de section carrée, obtenus par fusion sélective par laser à partir d’une poudre d’alliage Al Si 12 prétraitée comme décrit précédemment. L'enveloppe externe de la pièce est majoritairement du métal et le cœur est majoritairement de l'alumine.

Les stratégies de balayage du laser choisies consistent en un pavé central pour former le cœur en alumine et trois stratégies différentes ont été utilisées former le contour métallique autour du cœur pour, soit :

- le cœur en alumine utilise un pavé carré de 1cm ² ;

- le contour métallique utilise une stratégie soit rectiligne (figure 5C correspondant aux colonnes de gauche des figures 5A et 5B), soit hexagonal (figure 5D correspondant aux colonnes centrales des figures 5A et 5B), soit concentrique (figure 5E correspondant aux colonnes de droite des figures 5A et 5B).

La pression partielle en oxygène dans l’enceinte est comprise entre 10 et 21% (atmosphère oxydante).

Le diamètre spot laser est compris entre 70 et 80 pm. L’épaisseur de mise en couche est de l’ordre de 50pm.

Pour transformer en oxyde la poudre d’alliage A1SÎ12 prétraitée en A1 ₂ 0 ₃ majoritaire, des essais concluants ont été réalisés avec les paramètres suivants :

- puissance du laser (Pi) de 60W ;

- vitesse de déplacement (vi) du laser de 1000 mm. s ¹ ;

- écartement (di) de 1 pm pour un taux de recouvrement compris de 99%. Avec ces paramètres, pour une distance parcourue (D) par le laser de 1 cm, la première durée (ti) de maintien est égale à 0,7 secondes, et la première densité d’énergie (Qi) est de 11 kJ.mm ² . La densité surfacique de puissance est de 15,6 kW.mm ² .

Pour densifier la poudre d’alliage A1SÎ12 prétraitée sans oxydation, des essais concluants ont été réalisés avec les paramètres suivants :

- puissance du laser (P ₂ ) de 60W ;

- vitesse de déplacement (v ₂ ) du laser de 100 mm. s ¹ ;

- écartement (d ₂ ) de 50 pm.

Dans ce premier exemple de réalisation, la puissance du laser ne varie pas, selon qu’on souhaite oxyder ou densifier sans oxyder.

Avec ces paramètres, pour une distance parcourue (D) par le laser de 1 cm, la seconde durée (t ₂ ) de maintien est égale à 0,14 secondes, et la seconde densité d’énergie (Q ₂ ) est de 2,2 kJ.mm ² . La densité surfacique de puissance est de 15,6 kW.mm ² .

Second exemple de fusion sélective de lit de poudre par laser

Les deux pièces formées et les stratégies de balayages sont illustrées en figures 6A à 6D.

Les pièces formées sont des cylindres métal-céramique obtenus par fusion sélective par laser à partir d’une poudre d’alliage A1SÎ12 prétraitée comme décrit précédemment. L'enveloppe externe de la pièce est majoritairement du métal et le cœur est majoritairement de l'alumine.

La stratégie de balayage pour le cœur en alumine est un damier à motifs hexagonaux de 1 cm d’envergure. La stratégie de balayage pour le métal consiste en des trajectoires concentriques autour de l’alumine centrale.

Les figures 6C et 6D illustrent en détail deux épaisseurs d’enveloppe extérieure différentes.

La pression partielle en oxygène dans l’enceinte est comprise entre 10 et 21% (atmosphère oxydante).

Le diamètre spot laser est compris entre 70 et 80 pm. L’épaisseur de mise en couche est de l’ordre de 50pm.

Pour transformer en oxyde la poudre d’alliage Al Si 12 prétraitée en A1 ₂ C> ₃ majoritaire, et former le cœur en alumine majoritaire, les paramètres suivants ont été utilisés :

- puissance laser (Pi) de 60W,

- vitesse de déplacement (vi) du laser de 1000 mm. s ¹

- écartement (di) égal à 1 pm.

Avec ces paramètres, pour une distance parcourue (D) par le laser de 1 cm, la première durée (ti) de maintien est égale à 0,7 secondes, et la première densité d’énergie (Qi) est de 11 kJ.mm ² . La densité surfacique de puissance est de 15,6 kW.mm ² .

Pour densifier la poudre d’alliage Al Si 12 prétraitée sans oxydation et former l’enveloppe externe en métal majoritaire, les paramètres suivants ont été utilisés :

- puissance laser (P ₂ ) de 60W - vitesse de déplacement (V2) du laser égale à 1000 mm. s ¹

- écartement (d2) égal à 50 pm.

Avec ces paramètres, pour une distance parcourue (D) par le laser de 1 cm, la seconde durée (t2) de maintien est égale à 0,014 secondes, et la seconde densité d’énergie ((¾) est de 0,22 kJ.mm ² . La densité surfacique de puissance est de 15,6 kW.mm ² .

Pour tous les exemples et d’une manière générale pour le procédé selon l’invention, comme l’absorbance de la poudre métallique prétraitée est augmentée par rapport à une poudre non prétraitée, à puissance égale, le transfert d’énergie électromagnétique du laser en énergie thermique dans la poudre est meilleur, ainsi la poudre métallique prétraitée va chauffer plus. L’inconvénient est qu’on peut atteindre plus facilement des conditions d’ablation. De préférence, on règle dans une première étape la puissance du laser égale ou en dessous d’un seuil de puissance à partir duquel l’ablation n’existe plus ; et une fois ce seuil trouvé et la puissance du laser fixée, on règle dans une seconde étape les autres paramètres selon que l’on souhaite transformer la poudre métallique prétraitée en diélectrique ou seulement densifier le métal sans le transformer.

L’invention permet ainsi par simple réglage des paramètres de fabrication additive, de créer en 3D, à volonté et dans des régions choisies, des zones majoritairement métalliques ou majoritairement en matériaux diélectriques. Les paramètres de fabrication additive sont aisément ajustables par la programmation du dispositif de fabrication additive.

Le procédé selon l’invention permet ainsi de réaliser des pièces multi -matériaux dans la direction de fabrication et dans le plan de fabrication (pièces multi -matériaux 3D), sans avoir à changer de poudre en cours de fabrication, et en utilisant un dispositif de fabrication additive par fusion de lit poudre conventionnel. Ceci présente un avantage important en termes de coûts, que cela soit pour la fabrication ou l’élaboration de la poudre mais aussi pour la facilité de mise en œuvre du procédé.

Essais comparatifs avec ou sans prétraitement

Des essais comparatifs ont été réalisés sur des poudres métalliques non prétraitées. De manière à transformer une zone de la couche de poudre en une céramique (correspondant à l’oxyde métallique dans ces essais), ils ont utilisé les paramètres de vitesse du laser (500 mm/s voire 100 mm/s) et de pas (1 pm) les plus favorables pour soumettre à cette zone une température élevée (au moins supérieure ou égale à la température de fusion du métal ou de l’alliage métallique, par exemple au moins 700°C) pendant une durée suffisante (au moins une seconde voire au-delà) à une puissance laser de 75 W. Malheureusement, cela n’a pas suffi à oxyder, la température atteinte n’étant pas suffisante au sein de la poudre. Les inventeurs ont dû augmenter la puissance à 120 W pour atteindre une température suffisante. L’inconvénient est qu’à ce niveau de puissance, le phénomène d’ablation de la poudre se produit en même temps que l’oxydation, et prend le pas sur celle-ci. En outre, des vitesses faibles font que les temps de fabrication se rallongent.

Le prétraitement chimique de la poudre métallique permet d’augmenter l’absorbance de la poudre, et ainsi d’augmenter l’efficacité du transfert d’énergie vers la poudre, de manière à augmenter la température au sein de la poudre, sans avoir à augmenter la puissance du laser et ainsi sans risquer de subir le phénomène d’ablation. A l’inverse, avec une poudre prétraitée, mais sans les paramètres d’application du laser adaptés (vitesse trop élevée et/ou écartement trop élevé et/ou puissance inadaptée), la poudre ne peut être oxydée, mais est maintenue sous forme métallique. En outre, avec une puissance insuffisante, la température au sein de la poudre ne peut être atteinte et celle-ci n’est non seulement pas oxydée, mais n’est pas non plus densifiée (elle reste sous forme de poudre métallique partiellement oxydée du fait du prétraitement).

Ainsi, on comprend que l’invention consiste bien en une combinaison du prétraitement avec des paramètres d’application laser adaptés qui permet d’obtenir un effet de synergie et former une pièce multi -matériaux (métal et matériau diélectrique) dans les trois dimensions.

Produits obtenus (pièces multi-matériaux)

Avec une poudre d’alliage A1SÎ12, on peut obtenir des pièces multi-matériaux comprenant des parties en métal et des parties en céramique en alumine stœchiom étriqué majoritaire avec quelques phases minoritaires telles que : alumine non stoechiométrique, aluminosilicates, résidus de métal. En outre, à l’interface entre le métal et la céramique, il peut être formé une couche en alumine probablement non-stœchiométrique et moins conductrice.

Plus généralement pour le produit obtenu, des parties métalliques peuvent renfermer quelques inclusions diélectriques et inversement des parties diélectriques peuvent contenir des incursions métalliques. C’est pourquoi on parle de phase « majoritairement métallique » avec quelques phases résiduelles diélectriques ou de phase « majoritairement » diélectriques avec quelques résidus métalliques, voire des résidus de phases métalliques oxydées issues du prétraitement.

Dans certains cas, comme la liaison chimique entre le métal du plateau de fabrication et la céramique générée est complexe voire inexistante, la partie diélectrique est de préférence entourée d’une partie en métal qui s’accroche bien sur le plateau et qui joue le rôle de barrière. Alternativement, le matériau diélectrique est formé sur une partie de pièce en métal majoritaire.

D’autres poudres métalliques utilisées peuvent être des poudres classiquement utilisées en fabrication additive, dans les techniques de fusion de lit de poudre par laser, par exemple d’autres alliages à base d’aluminium, des poudres de métaux ou d’alliages de métaux autres que l’aluminium, tel que les métaux de transitions et les métaux pauvres, par exemple : les alliages à base de fer, de cobalt ou de nickel, ou des métalloïdes tels que le silicium. Sont particulièrement visés les métaux situés dans la partie centrale et haute des diagrammes d’Ellingham tel que décrits par exemple dans la publication « Ellingham Diagram » de Masakatsu Hasegawa (Graduate School of Energy Science, Kyoto University) reproduit en figures 7A et 7B, ainsi que les alliages à base de ces métaux. Les diagrammes d’Ellingham permettent de prévoir les équilibres entre un métal et ses oxydes en fonction de la température et de la pression, et de connaître les réactions d'oxydoréduction thermodynamiquement possibles entre deux espèces.

La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation précédemment décrits mais s'étend à tout mode de réalisation entrant dans la portée des revendications.

L’invention s’applique notamment :

- à la réalisation de dispositifs mécaniques, par exemple de pièces de structure nécessitant la combinaison dans des géométries complexes de propriétés physico-chimiques complémentaires apportées par l’association d’un métal et d’une céramique (par exemple barrières thermiques, tuyères, ailettes de turbine ...) ;

- à la réalisation de pièces majoritairement en céramique dont la réalisation par fabrication additive conventionnelle est difficile (exemple de l’alumine, éventuellement de nitrures) ; - à la réalisation de dispositifs électroniques, par exemple miniaturisation de guides d’onde, de résonateurs, de transitions 3D hyperfréquence pour front-end d’antenne active ;

- à la réalisation de métamatériaux, notamment des métamatériaux comprenant des inclusions diélectriques/céramiques réparties de manière périodique dans une matrice métallique ou des inclusions métalliques réparties de manière périodique dans une matrice diélectriques/céramique.