TITRE : SYSTEME ET PROCEDE DE FABRICATION CONTROLEE

Domaine de l’invention

La présente invention concerne le domaine de la fabrication additive, plus précisément la catégorie des procédés de dépôt de matière sous énergie concentrée (en anglais : Directed Energy Déposition, DED) et plus précisément encore un système et un procédé de fabrication contrôlée concernant une pièce à fabriquer, à réparer ou à recharger au moyen d’un procédé de fabrication additive par DED.

Etat de la technique

La fabrication additive désigne un ensemble de procédés de fabrication par ajout de matière. Les procédés de projection de matière ou de dépôt de matière (DED) se définissent par un apport de matière - notamment sous forme de poudre, de fil ou de filament - au niveau de la zone de fabrication. Les sources d’activation peuvent être diverses, généralement un laser, un faisceau d’électron ou un arc électrique, mais d’autres formes d’énergie peuvent être envisagées telles que, sans caractère limitatif, une source plasma ou une combinaison des sources précédentes.

De nos jours, le contrôle des pièces produites par fabrication additive est réalisé après la fabrication desdites pièces et/ou par des méthodes de contrôle du procédé de fabrication.

Il existe ainsi des procédés de contrôle non destructifs et des procédés de contrôle destructifs.

Les procédés de contrôle non destructifs comprennent notamment la radiographie, la tomographie, les ultrasons conventionnels, les courants de Foucault, la thermographie, la shearographie.

Les procédés de contrôle destructifs comprennent notamment les essais mécaniques et sont réalisés sur des pièces finies. Ces procédés ne permettent donc pas la détection de défaut lors de la fabrication des pièces. Par ailleurs, ces procédés ne permettent pas de mettre en place une boucle de rétroaction pour arrêter la fabrication ou modifier certains paramètres dès la détection d’un défaut. Enfin, ces procédés de contrôles destructifs ne sont pas efficaces lorsque les pièces concernées ont une géométrie finale complexe.

Il existe également des procédés de contrôle en cours de fabrication, tels que le contrôle du bain de fusion, le contrôle par caméra dans le visible ou dans l’infrarouge. Cependant, ces procédés permettent seulement un contrôle local, surfacique voire un contrôle superficiel en-dessous de la surface. Ce type de procédés ne garantit pas l’intégrité de la pièce lorsque celle-ci contient des défauts enfouis apparus lors du procédé de fabrication ou lorsque le défaut, par exemple une fissure, apparait loin de la buse de fabrication.

L’implémentation de procédés de contrôle au sein de procédés de fabrication additive par DED est décrite dans l’état de l’art. L’un de ces procédés est un procédé de contrôle par ultrasons lasers.

La méthode de contrôle par ultrasons laser s’appuie sur un dispositif de contrôle constitué d’un laser de génération et d’un laser de détection. L’émission d’un faisceau laser du laser impulsionnel de génération sur la pièce à contrôler engendre la propagation d’ondes élastiques, par effet photothermique (en régime thermoélastique) ou ablation. Les ondes ultrasonores se propagent dans la pièce à contrôler. En présence d’un défaut, les ondes mécaniques interagissent avec ledit défaut. Ainsi, ces ondes mécaniques sont en partie réfléchies ou diffractées et s’atténuent en produisant une signature au niveau du point de détection. Le laser de détection couplé à un interféromètre optique permet de mesurer le déplacement normal ou tangentiel à la surface de la pièce à contrôler.

L’état de l’art contient divers travaux concernant l’utilisation des ultrasons pour le contrôle en fabrication additive ; incluant de très rares réalisations en cours de fabrication.

Dans la majorité de ces études exclusivement menées en laboratoire, les deux lasers de contrôle sont fixes, ce qui rend l’inspection d’une pièce en cours de fabrication impossible ou à minima extrêmement limitée en terme de géométrie. Ainsi, l’inspection ne concerne que la zone de la pièce se trouvant en face des lasers. Il s’agit donc de pièces avec une géométrie très simple. Les essais menés à Palerme et divulgués au sein du document [1] se distinguent par la solidarisation des lasers de contrôle à l’ensemble cinématique de la buse de fabrication. Ce dispositif permet un contrôle du cordon supérieur uniquement dans des conditions particulières : d’une part, le contrôle est limité à des mouvements de buse suffisamment lents pour permettre l’acquisition et d’autre part le contrôle est limité à des géométries et trajectoires très simples, sans courbure marquée. Ensuite, les mouvements possibles de la pièce par rapport au référentiel bâti machine sont restreints voire impossibles, sans quoi les lasers de contrôle ne sont plus orthogonaux par rapport à la zone à contrôler. Par ailleurs, la haute température de la zone contrôlée qui vient d’être fusionnée affecte la propagation ultrasonore, et complique par conséquent l’analyse du signal et la détection de défauts. Afin de pallier ces défauts, une solution technique est l’utilisation de la robotique industrielle pour porter le capteur.

Traditionnellement, la robotique industrielle emploie des baies de commande pour piloter un grand nombre d’axes, mais le nombre d’axes est rapidement limité, typiquement à de 6 à 8 axes par baie. Pour un nombre supérieur de directions de mouvement, plusieurs baies sont synchronisées entre elles. Ces baies peuvent éventuellement être supervisées par une commande numérique. Cela induit des délais de communication et des problématiques de traduction de langages entre la commande numérique et les baies. La synchronisation temps réel pour des phénomènes rapides peut s’en trouver limitée. En outre, l’utilisation de baies interdit généralement l’accès aux variables des contrôleurs moteurs (durée et pente d’accélération, de décélération, etc.) pouvant être utiles pour améliorer la stabilité des mouvements, comme par exemple l’apparition de secousses (en anglais : jerk). Ainsi le pilotage hybride de la fabrication et du contrôle temps réel n’est réalisable que de façon dégradée par l’usage de baies. De plus, l’utilisation de plusieurs baies sous-entend que la trajectoire de chaque système mécanique sera programmée indépendamment, la communication entre les baies étant limitée.

De plus, les robots poly-articulés sont principalement utilisés pour faire du pick and place (en anglais) c’est-à-dire l’action de prendre un objet d’un point A pour l’emmener au point B le plus rapidement possible. Les contraintes sur ce qu’il se passe entre A et B sont très limitées. Les baies de commande ont été conçues dans ce but. Pour opérer le contrôle de pièce in-situ, le robot a besoin de faire une trajectoire précise avec une vitesse donnée.

Une alternative à l’emploi de baies est d’utiliser un directeur de commande numérique (DCN), c’est-à-dire un dispositif qui commande numériquement les déplacements de différents organes mobiles en interprétant les instructions pour agir sur un actionneur. Un DCN multicanal dispose de plusieurs sorties, couramment utilisées pour piloter deux actions indépendantes. Les machines-outils à commande numérique fournissent un exemple caractéristique. Traditionnellement, les systèmes utilisant un directeur de commande numérique multicanal utilise cette approche pour opérer deux étapes. Par exemple, une utilisation typique du directeur de commande numérique multicanal concerne les tours bi-tourelle où deux outils usinent une pièce en rotation. Chaque outil a son programme d’usinage et il n’existe pas de communication entre les deux outils. Il existe seulement des pauses de programmes pour un outil en attendant que l’autre outil fasse une opération.

La présente invention propose un système et un procédé permettant de prendre en compte les complexités géométriques et les complexités de trajectoire des pièces en cours de fabrication, afin de permettre une inspection par ultrasons laser lors de leur fabrication industrielle.

Objet de l’invention

L’objet de la présente invention concerne un système de fabrication contrôlée adapté pour le contrôle d’un procédé de fabrication, réparation ou rechargement d'une pièce par dépôt de matière sous énergie concentrée, ledit système de fabrication contrôlée comprenant : des moyens d’obtention d'un modèle numérique tridimensionnel de la pièce; des moyens de génération d'un fichier de fabrication de la pièce, basé sur le modèle numérique tridimensionnel de ladite pièce, pour définir des paramètres de fabrication d’une machine de fabrication additive, lesdits paramètres de fabrication étant associés à des instructions de fabrication ;

des moyens de génération d'un fichier de contrôle de la pièce pour définir des paramètres de contrôle d'un effecteur de contrôle, lesdits paramètres de contrôle étant associés à des instructions de contrôle ;

des moyens d'analyse pour effectuer une analyse du fichier de fabrication et du fichier de contrôle afin de déterminer si les paramètres de fabrication et les paramètres de contrôle peuvent coexister lors de l’application simultanée des paramètres de fabrication à la machine de fabrication additive et des paramètres de contrôle à l’effecteur de contrôle ; un module de commande comprenant au moins un canal de communication pour recevoir et transmettre les instructions de fabrication à un système polyarticulé de fabrication adapté pour supporter la machine de fabrication additive, et au moins un canal de communication pour recevoir et transmettre les instructions de contrôle à un système polyarticulé de contrôle adapté pour supporter l’effecteur de contrôle, pour piloter simultanément la machine de fabrication additive et l’effecteur de contrôle.

De manière préférée, le système de fabrication contrôlée comprend un laser de génération capable d’émettre un faisceau laser initial de génération et un laser de détection capable d’émettre un faisceau laser initial de détection pour effectuer un contrôle sur la pièce selon un procédé par ultrasons laser.

De manière préférée, l’effecteur de contrôle comprend un dispositif de mise en forme du faisceau laser initial de génération pour produire un faisceau laser de génération et un dispositif de mise en forme du faisceau laser initial de détection pour produire un faisceau laser de détection.

De manière préférée, l’effecteur de contrôle comprend un dispositif d’ajustement de la distance inter-laser pour fixer la distance entre le faisceau laser de génération et le faisceau laser de détection.

De manière préférée, le module de commande est un directeur de commande numérique multicanal.

De manière préférée, l’effecteur de contrôle comprend une sonde de mesure de la température sans contact et au voisinage de la zone de contrôle de la pièce.

De manière préférée, l’effecteur de contrôle est conjugué à un ou plusieurs autres moyens de contrôle, optionnellement portés par l’effecteur de contrôle pour détecter voire localiser des défauts de la pièce au sein de la machine de fabrication additive.

Selon un second aspect de la présente invention, l’invention concerne un procédé de fabrication contrôlée adapté pour un procédé de fabrication, réparation ou rechargement d'une pièce, par dépôt de matière sous énergie concentrée, comprenant les étapes suivantes : génération d'un modèle numérique tridimensionnel de la pièce à fabriquer, réparer ou recharger, pour modéliser ladite pièce ;

génération d'un fichier de fabrication de la pièce, basé sur le modèle numérique tridimensionnel de la pièce, pour définir des paramètres de fabrication d'une machine de fabrication additive, lesdits paramètres de fabrication étant associés à des instructions de fabrication ;

génération d'un fichier de contrôle pour définir des paramètres de contrôle d'un dispositif de contrôle, lesdits paramètres de contrôle étant associés à des instructions de contrôle ;

analyse du fichier de fabrication avec le fichier de contrôle afin de déterminer si les paramètres de fabrication et les paramètres de contrôle peuvent coexister lors de l’application simultanée des paramètres de fabrication à la machine de fabrication additive et des paramètres de contrôle à l’effecteur de contrôle ; si les paramètres de fabrication et les paramètres de contrôle peuvent coexister, pilotage simultané de la machine de fabrication additive et de l’effecteur de contrôle pour fabriquer, réparer ou recharger la pièce, ledit pilotage simultané étant basé sur les instructions de fabrication et les instructions de contrôle.

De manière préférée, le procédé de fabrication contrôlée, comprend l’étape suivante : si les paramètres de fabrication et les paramètres de contrôle ne peuvent pas coexister :

génération d'un fichier de fabrication de la pièce, basé sur le modèle numérique tridimensionnel de la pièce, pour définir des paramètres de fabrication d'une machine de fabrication additive, lesdits paramètres de fabrication étant associés à des instructions de fabrication ; et / ou génération d'un fichier de contrôle pour définir des paramètres de contrôle de l’effecteur de contrôle, lesdits paramètres de contrôle étant associés à des instructions de contrôle. De manière préférée, le procédé de fabrication, réparation ou rechargement de la pièce par dépôt de matière sous énergie concentrée est un procédé de fusion par laser de poudre métallique, ou de fusion de fil métallique par laser ou de fusion de fil métallique par arc électrique.

De manière préférée, les instructions de contrôle ciblent les régions de la pièce présentant des probabilités d’apparition de défauts accrues.

De manière préférée, une détection de défauts conduit à l’arrêt de la fabrication.

De manière préférée, une détection de défauts conduit à la réalisation d’une action corrective telle que la fusion ou l’usinage de la zone défectueuse de la pièce.

Brève description des dessins

Les but, objet et caractéristiques de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la présente description qui suit, faite en référence aux figures dans lesquelles :

[Fig. 1] montre un système de fabrication contrôlée selon un mode de réalisation de l’invention,

[Fig. 2] montre un schéma de la disposition des faisceaux laser de génération et de détection lors du contrôle d’une pièce à fabriquer, à réparer ou à recharger,

[Fig. 3] montre un schéma d’une pièce comprenant un coude et la disposition des faisceaux laser de génération et de détection avant le coude,

[Fig. 4] montre schéma d’une pièce comprenant un coude et la disposition des faisceaux laser de génération et de détection après le coude,

[Fig. 5] montre un diagramme de fonctionnement d’un procédé de fabrication contrôlée selon l’invention,

[Fig. 6] représente le système selon l’invention selon une vue de dessus pour illustrer la première étape d’un procédé de fabrication contrôlée d’une pièce à fabriquer, réparer ou recharger, [Fig. 7] représente le système selon l’invention selon une vue de dessus pour illustrer la deuxième étape d’un procédé de fabrication contrôlée d’une pièce à fabriquer, réparer ou recharger,

[Fig. 8] représente le système selon l’invention selon une vue de dessus pour illustrer la troisième étape d’un procédé de fabrication contrôlée d’une pièce à fabriquer, réparer ou recharger,

[Fig. 9] représente le système selon l’invention selon une vue de dessus pour illustrer la quatrième étape d’un procédé de fabrication contrôlée d’une pièce à fabriquer, réparer ou recharger.

La figure 1 montre un système de fabrication contrôlée 100 selon l’invention.

SYSTEME DE FABRICATION CONTROLEE

Système polvarticulé de fabrication et Machine de fabrication

Le système de fabrication contrôlée 100 comprend au moins un système polyarticulé de fabrication 138 dans le domaine de la fabrication additive par projection ou dépôt de matière. Le système polyarticulé de fabrication 138 est l’un des composants d’une machine de fabrication additive, ladite machine comprenant également un plateau porte- pièce, une source d’énergie telle qu’un laser continu, une source d’électrons ou un arc électrique et un système d’alimentation en matière première en quantité contrôlée par unité de temps. La matière première est généralement sous forme de poudre ou de fil métallique. Typiquement, dans le cas de dépôt de poudre, le système polyarticulé de fabrication 138 est composé d’une part d’un sous-système mettant en mouvement la buse de fabrication, par exemple un système de translation cartésien x-y-z (3 axes) permettant le déplacement de la buse de fabrication, et d’autre part d’un sous-système mettant en mouvement le plateau porte-pièce par exemple selon deux axes de rotation. La buse de fabrication regroupe l’apport de poudre et d’énergie.

Système de contrôle et Effecteur de contrôle

Le système de fabrication contrôlée 100 comprend au moins un système de contrôle 102. Le système de contrôle 102 comprend un laser de génération 1 14, un laser de détection 120, un dispositif de mise en forme 1 18 du faisceau laser initial de génération 116 issu du laser de génération 1 14, un dispositif de mise en forme 124 du faisceau laser initial de détection 122 issu du laser de détection 120, un dispositif d’ajustement de la distance inter-laser (DADI) 128, un interféromètre 126 décrits en détails ci-dessous. Les dispositifs de mise en forme 1 18, 124 et le DADI 128 sont rassemblés au sein d’une tête optique ou effecteur de contrôle 130 détaillé ci-après.

Le système de contrôle 102 comprend également un système polyarticulé de contrôle 132 adapté pour supporter l’effecteur de contrôle 130. De manière optionnelle, un ou plusieurs systèmes polyarticulés de contrôle 132 peuvent comprendre un ou plusieurs effecteurs de contrôle 130 de nature différente tels qu’une caméra dans le visible ou une caméra dans l’infrarouge et/ou plusieurs effecteurs de traitement local de la pièce en cours de fabrication tel que des effecteurs d’usinage, de traitement de surface ou de traitement thermique.

De manière préférée, le laser de génération 1 14 comprend un laser impulsionnel de durée d’impulsion de l’ordre de la nanoseconde et dont la longueur d’onde est choisie pour être absorbée par le matériau à contrôler. Ainsi pour les métaux, le laser choisi est préférentiellement un laser YAG 1064 nm ou 532 nm. Le laser de génération 1 14 émet un faisceau laser initial de génération 116 acheminé par fibre optique jusqu’à l’effecteur de contrôle 130 où le faisceau laser de génération 116 est mis en forme par le dispositif de mise en forme 118, avant que faisceau laser 134 mis en forme soit émis en direction d’une pièce 140 à fabriquer, à recharger ou à construire.

L’effecteur de contrôle 130 comprend donc un dispositif optique de mise en forme 1 18 du faisceau laser de génération 1 16 placé entre la sortie du laser de génération 114 et la pièce 140 à contrôler. Ce dispositif optique de mise en forme 1 18 est conçu pour mettre en forme le faisceau laser initial de génération 116 afin d’obtenir un faisceau laser 134 mis en forme et impactant la pièce selon un disque de diamètre compris entre 0,2 à 5 mm ou une ligne source de largeur 0,2 mm et de longueur 2 à 10 mm. Ainsi, l’on obtient une bande passante plus large et une direction de propagation des ultrasons orthogonale à la ligne source, ce qui a pour effet d’optimiser la génération de l’onde de Rayleigh, favorisant ainsi la détection des défauts de fabrication additive par DED (f > 10 MHz, soit□ < 0.2 mm). Ce dispositif optique de mise en forme 1 18 est composé d’un assemblage de lentilles optiques. La sortie du dispositif optique de mise en forme 1 18 du faisceau laser de génération 1 16 est positionnée via le système polyarticulé de contrôle 132, à une distance de la surface de la pièce 140 à contrôler comprise entre 1 mm à 1 m, et le cas échéant à une distance maximale permettant l’incorporation de l’effecteur de contrôle 130 et du système polyarticulé de contrôle 132 au sein de l’enceinte de fabrication (non montrée) lorsqu’elle existe, de la machine de fabrication additive, de préférence entre 5 mm et 300 mm.

Le système de contrôle 102 comprend un laser de détection 120, préférentiellement de type laser à longue impulsion ou continu. Le faisceau laser initial de détection 122 est mis en forme par le dispositif optique de mise en forme 124 pour former un faisceau laser de détection 136 mis en forme. La réflexion de ce faisceau laser de détection 136 sur la paroi de la pièce 140 est mesurée par l’interféromètre 126.

Le système de contrôle 102 comprend également l’interféromètre 126 tel qu’un interféromètre du type confocal Fabry-Pérot, mélange à deux ondes employant un cristal photoréfractif AsGa, homodyne avec une technologie multi-détecteur, ou encore les vibromètres à effet Doppler infrarouge (1550 nm). L’interféromètre est couplé au laser de détection 120. Préférentiellement, l’interféromètre 126 appartenant au système de contrôle 102 n’est pas embarqué par le système polyarticulé de contrôle 132. Optionnellement mais de façon non préférentielle, si la stabilité des éléments optiques le constituant est assurée, l’interféromètre 126 peut être inclus dans l’effecteur de contrôle 130.

Comme montré sur la figure 2, les faisceaux lasers de génération 134 et de détection 136 sont inclinés par rapport à la normale de la surface de la pièce.

Le faisceau laser de génération 134 est incliné d’un angle A de 80 degrés (°) à 0° par rapport à la normale 144 de la surface de la pièce au point de génération, et plus préférentiellement de 50° à 0°, et encore plus préférentiellement 0°, c’est-à-dire normal à la surface de la pièce 140 au point d’impact.

Le faisceau laser de détection 136 est incliné d’un angle B de 0° à 60° par rapport à la normale 146 de la surface de la pièce au point de détection. L’angle de collection B sera préférentiellement choisi pour dissocier la mesure du déplacement dans le plan (uz) ou hors plan (uz), i.e. normal ou parallèle à la surface de la pièce, et respectivement à l’épicentre ou hors épicentre. La symétrie de spot laser impose un déplacement parallèle nul à l’épicentre. Pour la mesure du déplacement normal, l’angle B sera préférentiellement choisi entre 0° et 5°, et plus préférentiellement 0°, c’est-à-dire normal à la surface de la pièce. Pour la mesure du déplacement transverse, l’angle de collection B sera préférentiellement pris entre 5° et 60°. Du point de vue de la sensibilité, l'angle optimal dépend des propriétés de diffusion de la surface. L’intensité de diffusion diminue faiblement jusqu’à des angles de l’ordre de 45° et le rapport signal sur bruit dépend principalement de sin B. L’angle de collection est avantageusement choisi pour B > 10°. Un angle d’incidence B, compris entre 30° et 45°, sera préférentiellement choisi du point de vue du déphasage, de la sensibilité et de la précision. Le rapport d’amplitude uz/ux dépend directement de l’angle de collection B et du coefficient de poisson du matériau. Le choix de l’angle B tient également compte du type et des performances de l’interféromètre utilisé (Mach-Zehnder, confocal Fabry-Perot, vibromètre Doppler) ou encore interféromètre de mélange à deux ondes utilisant un cristal photo-réfractif et une optique à grande ouverture (collecte de la lumière rétrodiffusée par la surface inspectée pour différent angles d'incidences).

L’effecteur de contrôle 130 comprend préférentiellement un dispositif d’ajustement de la distance inter-laser (DADI) 128 montré sur la figure 1 qui permet de faire varier l’écart ou la distance représentée par la double flèche 152 montrée sur la figure 2 entre le faisceau laser de génération 134 et le faisceau laser de détection 136. Au niveau de la surface de la pièce 140, cette distance est comprise entre 0 mm, c’est-à-dire que les faisceaux laser de génération 134 et de détection 136 sont confondus, et 150 mm, préférentiellement entre 5 mm et 100 mm. Le DADI 128 permet d’écarter ou de rapprocher les faisceaux laser de génération 134 et de détection 136 durant le contrôle.

Sur la figure 2, la distance du dispositif de mise en forme 1 18 du faisceau laser de génération à la pièce 140 est représentée par la double flèche 142.

L’écartement des faisceaux lasers de génération 134 et de détection 136 peut donc être piloté par le directeur de commande numérique multicanal décrit ci-dessous afin de s’adapter à la géométrie de la pièce 140 et aux mouvements induits par la fabrication de ladite pièce 140. Le réglage de la distance entre les faisceaux laser de génération 134 et de détection 136 est prévu selon deux modes de réalisation.

Dans un premier mode de réalisation, dit « hors ligne » c’est-à-dire en dehors du procédé de fabrication, le réglage a lieu dès la génération du fichier de contrôle, décrit ci-après, de la pièce 140. En effet, pour chaque point de contrôle sur la pièce, le logiciel de conception du contrôle 1 10 décrit ci-dessous calcule la courbure de la pièce 140 et en déduit la distance inter-laser optimale. Le logiciel 1 10 peut ensuite écrire dans le fichier de contrôle, pour chaque point de contrôle, la distance entre les faisceaux laser de génération 134 et de détection 136. La commande numérique 112 pilotera le dispositif DADI 128 en fonction de la valeur donnée pour le point de contrôle à venir.

Dans un second mode de réalisation, dit « en ligne » c’est-à-dire lors du procédé de fabrication, le réglage a lieu au moyen d’une commande numérique. Une commande numérique va donner les instructions de mouvement à des moteurs en fonction du programme fourni. La commande numérique lit le programme et transforme les instructions en consigne sur les moteurs et autres éléments tels que les lasers. La commande numérique lit le fichier de contrôle à l’avance et pour chaque point de contrôle, elle connaît donc le point de contrôle suivant. Si les points de contrôle sont proches les uns des autres et que la variation de la courbure est modérée, alors la commande numérique adapte la distance entre le faisceau laser de génération 134 et le faisceau laser de détection 136 au moyen du DADI 128 sans intervention de l’utilisateur.

En présence d’un coude 158, montré sur la figure 3, sur la surface de la pièce 140, la gestion de la trajectoire de contrôle se déroule en deux temps.

La figure 3 montre la gestion de la trajectoire de contrôle selon le sens de déplacement montré par la flèche 154. Avant le coude 158, la distance déterminée ou nominale 152 entre le faisceau laser de génération 134 et le faisceau laser de détection 136 diminue de manière incrémentielle jusqu’à ce que les deux faisceaux de génération 134 et de détection 136 se superposent.

La figure 4 montre la gestion de la trajectoire de contrôle selon le sens de déplacement montré par la flèche 160. Après le coude 158, la distance entre le faisceau laser de génération 134 et le faisceau laser de détection 136 augmente jusqu’à ce que les deux faisceaux de génération 134 et de détection 136 soient distants de la distance déterminée 152. Ce mode de réalisation permet d’assurer le contrôle en présence d’un coude. En effet, si la distance 152 et maintenue pendant que l’effecteur de contrôle 130 est proche du coude, le laser de détection 136 sera en dehors de la pièce 140.

L’effecteur de contrôle 130 peut également comprendre une sonde de mesure de la température (non montrée), sans contact et au voisinage de la zone de contrôle 174 de la pièce 140. Cette sonde de mesure de la température est utilisée pour un traitement plus précis des mesures de propagation ultrasonores. Préférentiellement, une calibration du comportement c’est-à-dire de la vitesse de propagation des ultrasons en fonction de la température peut être réalisée au préalable. La sonde de mesure de la température peut être par exemple une mesure par thermométrie infrarouge.

L’effecteur de contrôle 130 comprend également un boitier de protection qui permet de contenir les dispositifs de mise en forme 1 18, 124, le DADI 128, la sonde de mesure de la température (non montrée) et optionnellement le dispositif d’interférométrie 126.

De manière préférée, le boitier de protection de l’effecteur de contrôle 130 est mis en surpression afin d’éviter le dépôt de poussière sur les éléments optiques tels que les lentilles. Plus préférentiellement, la présence d’un flux gazeux extérieur au boitier de protection empêche toute pollution des éléments optiques par les poussières, les fumées ou les projections de matière liées au procédé de fabrication additive. De plus, l’orifice de sortie des lasers 134 et 136 de l’effecteur 130 est protégé par un hublot transparent à longueur d’onde des lasers utilisés. Le boitier de contrôle de l’effecteur de contrôle 130 est fixé au système polyarticulé de contrôle 132.

De manière préférée, les lasers de génération 114 et de détection 120 ne sont pas inclus dans le boitier de protection de l’effecteur de contrôle 130 et ne sont pas solidaires du système polyarticulé de contrôle 132. De manière préférée, les lasers de génération 114 et de détection 120 sont déportés en dehors de la chambre de fabrication de la machine de fabrication additive lorsqu’elle existe, les faisceaux lasers initiaux de génération 116 et de détection 122 étant acheminés par fibre optique jusqu’aux dispositifs de mise en forme 1 18, 124.

Logiciel de DAO/CAO Le système de fabrication contrôlée 100 comprend également des moyens d’obtention 104 d’un modèle numérique tridimensionnel de la pièce 140. Par exemple, le système de fabrication contrôlée 100 comprend un logiciel de dessin assisté par ordinateur (DAO) ou conception assistée par ordinateur (CAO) permettant de générer un fichier, par exemple un fichier STP relatif à un modèle numérique tridimensionnel de la pièce 1 1 à fabriquer, réparer ou recharger. Ce fichier définit la géométrie de la pièce, c’est-à-dire l’ensemble du volume de la pièce ou simplement ses surfaces. Ce fichier peut également provenir d’un autre logiciel. Ce fichier est destiné à être transmis au logiciel de FAO 108 et au logiciel de conception du contrôle 110 décrits ci-dessous.

Logiciel de FAO

Le système de fabrication contrôlée 100 comprend des moyens de génération 108 d’un fichier de fabrication de la pièce à fabriquer, réparer ou recharger. Par exemple, le système de contrôle comprend un logiciel de fabrication assistée par ordinateur (FAO) 108 permettant de générer un fichier de fabrication définissant les paramètres nécessaires à la fabrication par la machine de fabrication additive. Ces paramètres de fabrication comprennent les déplacements de la tête ou buse de fabrication portée par le sous-système polyarticulé de fabrication 138 au cours du temps et selon par exemple trois axes ou degrés de liberté, ou au maximum selon six axes. Ces paramètres de fabrication comprennent également les déplacements au cours du temps de l’ensemble cinématique c’est-à-dire le plateau porte-pièce et la pièce 140, généralement selon deux axes. Enfin, les paramètres de fabrication comprennent les paramètres d’impression tels que la puissance de la source d’énergie, le type et les propriétés de la tête de fabrication, le débit de matière, l’atmosphère gazeuse.

Logiciel de conception du contrôle

Le système de fabrication contrôlée 100 comprend des moyens de génération d’un fichier de contrôle. Par exemple, le système de fabrication contrôlée 100 comprend un logiciel de conception du contrôle 110 générant un fichier de contrôle contenant des paramètres de contrôle. Ces paramètres de contrôle comprennent la définition des positions relatives aux zones de contrôle de la pièce 140, lesdites zones étant définies par les deux points d’impact des faisceaux lasers de génération 134 et de détection 136 ainsi que les instants et les durées de contrôle. Ces paramètres de contrôle comprennent également la position du système polyarticulé de contrôle au cours du temps ainsi que l’écartement 152 entre les deux faisceaux. De manière optionnelle, ces paramètres de contrôle comprennent l’orientation des faisceaux laser de génération 134 et de détection 136. Enfin, les paramètres de contrôle comprennent les paramètres de mise en œuvre des lasers de génération 114 et de détection 120 tels que la puissance, la cadence de tirs et le nombre de tirs.

Moyens d’analyse

Ainsi, le système de fabrication contrôlée 100 comprend également des moyens d’analyse 106 pour effectuer une analyse comparative des fichiers de fabrication et de contrôle afin de déterminer si les paramètres de fabrication et les paramètres de contrôle peuvent coexister, c’est-à-dire s’ils sont compatibles.

La définition ou la génération du fichier de fabrication et du fichier de contrôle peut être réalisée de manière distincte c’est-à-dire sur des outils numériques différents. Cependant, ces fichiers de fabrication et de contrôle doivent être produits conjointement.

En effet, la définition des paramètres de contrôle doit tenir compte des paramètres de fabrication. Par exemple, la programmation d’un contrôle d’une zone de contrôle de la pièce 140 doit tenir compte du déplacement de la pièce durant la fabrication, ledit déplacement étant défini comme paramètre de fabrication.

De plus, la définition des paramètres de fabrication doit être réalisée pour permettre le contrôle de la pièce 140 c’est-à-dire que les mouvements des éléments du système polyarticulé de fabrication 138 doivent permettre l’intégration du système polyarticulé de contrôle 132 au voisinage de la zone de fabrication, sans heurter ou dégrader ni le système polyarticulé de contrôle 132 ni la pièce 140 en construction.

De manière préférée, la définition des paramètres de fabrication doit être réalisée pour favoriser ledit contrôle de la pièce 140 c’est-à-dire que la solution qui facilite le contrôle est sélectionnée afin par exemple de limiter les mouvements du système polyarticulé de contrôle 132. Cette conciliation du contrôle et de la fabrication peut être faite par l’utilisateur ou numériquement par le biais d’outils de simulation, tel que par exemple un logiciel de simulation de trajectoires, voire d’un jumeau numérique du système incluant ou non une simulation de propagation ultrasonore.

Directeur de commande numérique multicanal

Le système de fabrication contrôlée 100 comprend un module de commande ou directeur de commande numérique (DCN) multicanal 1 12 qui pilote de manière couplée au moins un système polyarticulé de contrôle 132 décrit ci-dessus, et au moins un système polyarticulé de fabrication additive 138 décrit ci-dessus et ce en fonction des paramètres des fichiers de fabrication et des paramètres des fichiers de contrôle. Le directeur de commande multicanal 1 12 peut être une commande numérique en mode multicanal. Le directeur de commande multicanal 1 12 utilise au moins deux canaux distincts comprenant au moins un canal pour transmettre les instructions de fabrication au système polyarticulé de fabrication et au moins un canal pour transmettre les instructions de contrôle au système polyarticulé de contrôle. L’effet technique de cette caractéristique est de résoudre le problème de pilotage de synchronisation d’une pluralité d’axes ou degrés de liberté. Ainsi, le directeur de commande multicanal 1 12 selon l’invention peut piloter de manière synchronisée et simultanée une pluralité d’axes pour le système polyarticulé de fabrication 138 - supérieur ou égal à trois, typiquement cinq - et une pluralité d’axes pour le système polyarticulé de contrôle 132, typiquement sept.

Les mouvements des axes du ou des systèmes polyarticulés de contrôle 132 sont synchronisés avec ceux des axes du système polyarticulé de fabrication 138, permettant ainsi un contrôle adapté à la trajectoire et à l’orientation de la pièce durant le procédé de fabrication.

De manière optionnelle, un système numérique dit jumeau numérique du système peut permettre de s’assurer de la faisabilité des mouvements calculés, notamment en évitant toute collision et en garantissant une gestion efficace des points de contrôle.

Le directeur de commande numérique multicanal 112 commande également les lasers de génération 1 14 et de détection 120 pour provoquer l’émission des faisceaux laser initiaux de génération 1 16 et de détection 122 au moyen de signaux de déclenchement. PROCEDE DE FABRICATION CONTROLEE

Le système de fabrication contrôlée fonctionne selon un procédé de fabrication contrôlée qui comprend les étapes suivantes montrées sur la figure 5.

Dans une étape 162, le logiciel de DAO ou CAO 104 génère un modèle numérique tridimensionnel de la pièce 140 à fabriquer, réparer ou recharger afin de modéliser la pièce 140 à fabriquer à l’aide de la machine de fabrication additive (non montrée).

Dans une étape 164, le logiciel de FAO 108 génère un fichier de fabrication de la pièce 140 à fabriquer afin de définir les paramètres de fabrication.

Dans une étape 166, le logiciel de conception du contrôle 110 génère un fichier de contrôle afin de définir les paramètres de contrôle.

Les étapes 164 et 166 sont réalisées simultanément et par itérations successives entre l’étape 164 et l’étape 166 pour définir un programme de contrôle au sein d’un fichier de contrôle compatible avec le programme de fabrication au sein d’un fichier de fabrication, et réciproquement.

Dans une étape 168, les fichiers de fabrication et de contrôle sont analysés à l’aide de moyens d’analyse 106 tels qu’un utilisateur ou un module d’analyse afin que les paramètres de contrôle prennent en considération les paramètres de fabrication et afin que les paramètres de fabrication permettent voire favorisent le contrôle. Cette étape 168 permet de vérifier que les paramètres de contrôle n’interfèrent pas avec les paramètres de fabrication. En d’autres termes, l’étape 168 permet de vérifier que les paramètres de fabrication peuvent coexister avec les paramètres de fabrication. Si les programmes de contrôle et de fabrication ne sont pas compatibles alors le procédé de fabrication contrôlée reprend après l’étape 162.

Dans une étape 170, le directeur de commande numérique multicanal 1 12 pilote simultanément le système polyarticulé de contrôle 132 et le système polyarticulé de fabrication 138 en se basant sur les instructions de fabrication et les instructions de contrôle. STRATEGIES DE CONTROLE

Le contrôle présenté par la présente invention est réalisé dans une machine ou une installation de fabrication additive par projection ou dépôt de matière. Comme explicité ci- avant, ledit contrôle est préférentiellement réalisé durant la fabrication, i.e. simultanément au dépôt ou à la projection de matière. Ledit contrôle peut également être produit avant la fabrication - par exemple dans le cas d’une réparation ou d’un ajout de fonction - ou après la fabrication.

Le contrôle par le procédé ultrasons laser vise à détecter les anomalies ou défauts de la pièce au sein de la machine de fabrication additive. Les anomalies visées sont principalement : des variations d’épaisseur, des défaut(s) localisé(s) comme une porosité ou une inclusion, des défauts étendus comme une fissure, et/ou variations de la structure du matériau (perte de densité, anisotropie microstructurale, modification des propriétés élastique du matériau). Des informations sur la rugosité peuvent être également obtenues. La dimension caractéristique des défauts volumiques détectés individuellement doit être supérieure à 50 pm, préférentiellement supérieure à 100 pm encore plus préférentiellement supérieure à 300 pm.

La génération des ultrasons ne peut être produite que sur les faces de la pièce accessibles au laser de génération. La détection des ultrasons ne peut être réalisée que sur les faces de la pièce accessibles au laser de détection. Entre les deux points d’impacts des lasers, la propagation ultrasonore permet de sonder en volume et en surface la zone de contrôle située entre les deux lasers.

Les zones de contrôle peuvent couvrir l’ensemble de la pièce, être aléatoires, ou, préférentiellement, cibler des régions d’intérêt (en anglais : ROI) - c’est-à-dire des régions présentant des probabilités d’apparition de défauts accrues - telles que : les zones de concentrations de contraintes, connues de l’homme de l’art ou déterminées par analyse thermomécanique, notamment par simulation par éléments finis ;

les zones de recouvrement de cordon, notamment les interfaces entre des cordons de contour et de remplissage ; les singularités géométriques comme les zones au-dessus desquelles la buse a opéré une brusque variation de trajectoire.

Le contrôle par le procédé ultrasons laser peut être conjugué avec un autre moyen de contrôle de la pièce en fabrication ou du procédé de fabrication comme par exemple : des caméras dans le domaine visible ou infrarouge permettant de détecter des variations géométriques présumées, la suspicion de défaut, ou la thermique de la pièce ;

une inspection coaxiale de la zone fondue donnant accès à des instabilités de cette zone fondue pouvant générer des défauts ;

des capteurs sondant l’enceinte de fabrication, tels que par exemple des thermocouples ou détecteur gazeux ;

les données machines pouvant indiquer des dérives du procédé de fabrication telles que la puissance laser, le déplacement des moteurs, le débit de poudre, l’analyse des rayonnements induits par le plasma.

Cette conjugaison de l’un ou plusieurs des moyens de contrôle permet d’identifier les zones de contrôle opportunes. En outre, en cas d’indication incertaine, cette conjugaison de moyens de contrôle permet de s’assurer de la présence de défaut rédhibitoire, i.e. au- dessus des seuils des cahiers des charges et exigences. Des approches d’apprentissage statistique ou d’intelligence artificielle, notamment de type apprentissage machine (en anglais : machine learning) peuvent permettre d’affiner les critères d’acceptation des anomalies, y compris en conjuguant les données de plusieurs moyens de contrôle dont les ultrasons laser.

Le choix de la stratégie de contrôle, définie selon la criticité de la pièce et des défauts acceptables, est réalisé lors de l’étape 166 et validée lors de l’étape 168. Même dans le cas d’identification des zones de contrôle durant le procédé, par la détection d’une indication moyenne de contrôle ou de surveillance additionnelle, le principe reste le même : les zones possibles de contrôle ont été référencées lors de l’étape 166, validée à l’étape 168, seul le déclenchement du contrôle est conditionné à la détection d’une suspicion de défaut.

SANCTION Lors de la détection d’un défaut par le système de fabrication contrôlée 100 lors d’un contrôle « en ligne » c’est-à-dire au cours du procédé de fabrication, deux niveaux d’action (non représentés sur les figures) sont possibles.

Au sein du premier niveau d’action, le diagnostic de la présence d’un défaut est confirmé. Une commande automatique ou manuelle (par l’utilisateur) stoppe alors la fabrication de la pièce. Cette action permet de limiter les pertes dues au temps de machine restant et la quantité de matière première nécessaire pour produire le restant de la pièce non conforme.

Au sein du deuxième niveau, préférentiellement sous l’action d’un utilisateur et en fonction de la nature du défaut, la zone défectueuse peut être refondue par l’action du seul faisceau laser de la machine de fabrication ou par l’action combinée du faisceau laser et de la poudre de la machine de fabrication s’il existe un manque de matière. La zone incriminée peut également être usinée pour effectuer à nouveau la fabrication sur une zone saine.

EXEMPLES

Un exemple de réalisation est illustré par les figures 6 à 9 qui montrent la réalisation d’une pièce cylindrique selon quatre étapes, vues de dessus. Pour réaliser la pièce cylindrique 172, deux solutions sont possibles, soit la buse de fabrication 176 décrit une trajectoire hélicoïdale, soit le plateau 180 de la machine de fabrication tourne et la buse de fabrication 176 s’élève le long de l’axe de fabrication. La trajectoire résultante d’un point de vue de la pièce est la même. Cependant la solution avec le plateau 180 tournant selon la flèche 178 permet de simplifier le contrôle donc cette solution est préférée. Dans ce cas, l’interaction selon l’étape 168 entre les fichiers de fabrication et de contrôle permet de sélectionner la stratégie de fabrication simplifiant le contrôle.

Sur la figure 6, l’effecteur de contrôle 130 est dans une position d’attente. La buse de fabrication 176 est en train de déposer la matière. Le système polyarticulé de contrôle 132 est immobile et attend qu’une zone à contrôler 174 passe devant l’effecteur de contrôle 130. Sur la figure 7, la zone à contrôler 174 passe devant l’effecteur de contrôle 130. Les lasers de génération 1 14 et de détection 120 sont activés pour contrôler la zone de contrôle 174 et émettent respectivement un faisceau laser de génération 134 mis en forme et un faisceau laser de détection 136 mis en forme.

Sur la figure 8, le système polyarticulé de contrôle 132 qui supporte l’effecteur de contrôle 130 se déplace selon le sens de la flèche 178 pour suivre la zone à contrôler 174. Ce mouvement n’est pas programmé en tant que tel mais est la conséquence de l’accrochage du système polyarticulé de contrôle 132 à la pièce 172. Le système polyarticulé de contrôle 132 maintient donc l’effecteur de contrôle 130 immobile sur la zone à contrôler 174 de la pièce 172 en déplaçant le boitier de l’effecteur de contrôle 130 selon le sens de la flèche 178, Le directeur de commande numérique multicanal 1 12 s’assure que la vitesse et la trajectoire du système polyarticulé de fabrication 132 permettent le maintien de l’effecteur de contrôle 130 immobile par rapport à la zone à contrôler 174.

Sur la figure 9, lorsque le contrôle de la zone à contrôler 174 est terminé le système polyarticulé de contrôle 132 se décroche du plateau 180 de la machine de fabrication et l’effecteur de contrôle 130 retourne en position d’attente. La zone 174 est alors notée comme « contrôlée » et le système polyarticulé de contrôle 132 attend le passage d’une autre zone à contrôler. Lorsque toutes les zones 174 sont contrôlées le système polyarticulé de contrôle 132 incrémente la hauteur du boitier de l’effecteur de contrôle 130 et procède au contrôle du prochain étage de la pièce 172. L’écart entre deux points sur un même étage de contrôle est typiquement de l’ordre de quelques millimètres, la distance entre deux étages de contrôle est typiquement de l’ordre de quelques millimètres.

Dans cette situation, le fichier de contrôle comprend un tableau de valeurs angulaires à scanner ainsi qu’un incrément dans le sens de construction. Le fichier de contrôle comprend également la durée du contrôle et la valeur de la vitesse de rotation du plateau 180. Toutes les trajectoires du système polyarticulé de fabrication 138 sont automatiquement calculées par le DCN grâce à l'utilisation d’un DCN multicanal 112.

Le système et le procédé de contrôle selon l’invention permettent donc de contrôler des géométries complexes de cordons grâce à l’ajustement dynamique de l’écartement entre le faisceau laser de détection 134 et le faisceau laser de génération 136. Le système et le procédé de contrôle selon l’invention dissocient le mouvement des faisceaux lasers de génération 134 et de détection 136 de celui de la buse de fabrication 176. Le contrôle peut ainsi avoir lieu avec un retard de phase, ce qui laisse le temps au cordon de refroidir et ce qui permet d’éviter le contrôle en présence de gradients thermiques élevés.

Le système et le procédé de contrôle selon l’invention permettent d’assurer un suivi de la pièce au fur et à mesure de sa construction, de son rechargement, de sa réparation. Ainsi, le système et le procédé de contrôle selon l’invention permettent de détecter les défauts en cours de fabrication, d’envisager une boucle de rétroaction pour arrêter le procédé de fabrication ou modifier certains paramètres du procédé de fabrication dès la détection d’un défaut. Le système et le procédé de contrôle selon l’invention permettent également de contrôler la pièce couche par couche.

Le système et le procédé de contrôle selon l’invention permettent de résoudre le problème de pilotage de synchronisation d’un nombre élevé d’axes tels que cinq axes pour le système polyarticulé de fabrication et sept axes pour le système polyarticulé de contrôle. Dans l’état de l’art, le pilotage d’un tel nombre d’axes est extrêmement coûteux en terme de puissance de calcul voire impossible. De plus, avec les systèmes de l’état de l’art, tous les mouvements d’axe doivent être programmés dans un seul programme ce qui rend l’écriture de celui-ci très complexe.

De plus, le procédé et le système selon l’invention permettent de mesurer en continu le comportement dynamique de la machine de fabrication additive, et notamment la vitesse de dépose, pour ainsi adapter la dynamique de l’effecteur de contrôle, notamment l’accélération, et synchroniser la machine de fabrication additive et l’effecteur de contrôle. Les vibrations sur l’effecteur de contrôle sont ainsi évitées.

Ainsi, le procédé selon l’invention comporte notamment deux étapes cruciales. La première étape consiste à définir conjointement le programme de contrôle et le programme de fabrication, afin d’assurer la contrôlabilité des zones d’intérêt au cours de la production tout en garantissant la sécurité des équipements. La seconde étape réside dans l’utilisation d’un directeur de commande numérique multicanal afin d’assurer le pilotage synchronisé d’un grand nombre d’axes, typiquement au nombre de 12 : 6 axes pour le système polyarticulé de contrôle 132, 5 axes pour le système polyarticulé de fabrication 138 et un axe pour le DADI 128. Le procédé selon l’invention résout ainsi les problèmes de pilotage simultané d’un grand nombre d’axes en séparant le programme de fabrication et le programme de contrôle. L’aspect multicanal de la commande numérique est utilisé avec une interaction et une interconnexion qui n’existent pas dans les systèmes de l’état de l’art.

Bibliographie

[1] CERNIGLIA D., SCAFIDI M., PANTANO A. et RUDLIN J. « Inspection of additive- manufactured layered components », Ultrasonics, (sept. 2015), vol.62, pages 292-298.