Titre de l'invention : PROCEDE DE DETERMINATION D’UNE DEFORMATION D’UNE ZONE D’UNE PIECE OBTENUE PAR

FABRICATION ADDITIVE

[0001] [La présente invention a pour objet un procédé de détermination d’une déformation d’une zone prédéterminée d’une pièce obtenue par fabrication additive. Le procédé s'applique en particulier aux pièces en aluminium réalisées par fabrication additive métallique arc-fil WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing en langue anglaise).

[0002] L’implémentation d’une structure témoin dans une soudure ou dans une pièce produite par fabrication additive métallique, permettant de connaître les contraintes subies par cette pièce, est connue de l’état de la technique.

[0003] De nombreuses recherches ont été basées sur l’insertion de capteurs à fibre optique de type fibre à réseaux de Bragg servant de capteur de déformation. Elles sont réalisées avec des soudures TIG (pour Tungsten Inert Gas en langue anglaise) [1-2] ou des soudures laser [3-5] utilisant de l’étain comme métal d’apport. Des études similaires ont également été réalisées pour des procédés de fabrication additive métallique inox [6-10]. Les paramètres de soudure optimaux ainsi que les défauts autour des fibres noyées y ont été analysés.

[0004] Ces capteurs à fibres optiques peuvent également être insérés dans des pièces par soudage ultrasonique et par extension dans des pièces fabriquées additivement par soudage ultrasonique [11-15]. Ces fibres optiques ont également été noyées dans des alliages de nickel ou de plomb et d’étain par dépôt électrolytique ou moulage [16-18] pour réaliser des outils de coupe intelligents.

[0005] De nombreux articles traitant de l’apport de l’intelligence à des pièces métalliques par l’insertion de fibres optiques sont cités dans l’article de Saheb et Mekid [19]. Il s’agit cependant de capteurs optiques nécessitant une couche métallique, le plus souvent à base de nickel, nécessaire pour réaliser l’adhésion avec la pièce hôte.

[0006] Les fibres optiques ne sont pas pour autant les seuls éléments qui ont été insérés dans des pièces métalliques au cours de leur processus de fabrication. Des systèmes électroniques plus complets tels que des capteurs piézoélectriques ou des jauges de contraintes de type film fin ainsi que leur connectique ont été insérés dans des procédés de fabrication additive par fusion par faisceau d'électrons [20], par fusion sur lit de poudre [21-23] ou dans des pièces moulées [24] [0007] Ces systèmes peuvent également être intégrés à la pièce en cours de fabrication sans être soudés à la pièce mais bloqués par la soudure. Ainsi Petrat

[25] intègre un système électronique et protège la connectique grâce à un système de gorges courbes. La connectique est placée au creux de la gorge, à distance du métal en fusion qui renferme l’embouchure ici réalisée par un procédé par dépôt direct de métal (DMD). Le groupe VTT en Finlande a annoncé également la possibilité d’introduire des puces lors de la fabrication des pièces

[26]

[0008] L’ensemble de ces systèmes nécessitent soit une distance relative avec la soudure, soit une encapsulation céramique et/ou métallique pour être insérée sainement dans une pièce métallique.

[0009] La présente invention vise à remédier à ces inconvénients.

[0010] L’invention a ainsi pour objet un procédé de détermination d’une déformation d’une zone prédéterminée d’une pièce obtenue par fabrication additive, la déformation étant engendrée par une contrainte de la pièce. [0011] Le procédé selon l’invention comprend :

- une étape de placement, avant la contrainte de la pièce, d’un témoin magnétostrictif dans une zone représentative de la déformation, et

- une étape de détermination de ladite déformation à l’aide d’un capteur configuré pour mesurer la perméabilité magnétique du témoin magnétostrictif, la déformation étant déterminée en fonction de la variation de la perméabilité magnétique du témoin magnétostrictif entre avant et après la contrainte de la pièce.

[0012] Ainsi, l’invention réside dans l’inclusion, notamment pendant la phase de réalisation de la pièce, d’un témoin magnétostrictif qui permet de connaître les contraintes subies par celle-ci. En effet, les matériaux magnétostrictifs sous contrainte voient leur perméabilité magnétique changer.

[0013] L’étape de détermination de ladite déformation peut comprendre une mesure de la perméabilité magnétique du témoin magnétostrictif avant la mise sous contrainte de la pièce et une mesure de la perméabilité magnétique du témoin magnétostrictif après la contrainte.

[0014] Le capteur peut comprendre au moins une sonde de mesure agencée pour être positionnée sur ou à proximité du témoin magnétostrictif, chaque sonde de mesure étant constituée d’un boîtier dans lequel sont disposés des moyens de génération d’un champ magnétique et au moins un capteur de mesure de champ magnétique raccordé à un mesureur de champ.

[0015] Le capteur peut être un capteur à effet Hall.

[0016] Le capteur peut comprendre un aimant associé à une bobine.

[0017] La bobine et l’aimant peuvent être associés à un condensateur qui est disposé en parallèle de la bobine.

[0018] La valeur de l’inductance est proportionnelle à la perméabilité de la ferrite de la bobine. Le témoin qui est en vis-à-vis de l’aimant permet de modifier l’inductance en apportant un effet magnétique tel un aimant secondaire. En mesurant au travers du matériau de la pièce l’état magnétique du ou des témoins magnétostrictifs, il est possible de déduire les déformations et donc les contraintes qu’ils subissent et de remonter ainsi à l’état de contrainte de la pièce fabriquée.

[0019] La déformation peut être déterminée en fonction de la variation de l’inductance de la bobine entre avant et après la contrainte, l’étape de détermination de ladite déformation pouvant comprendre une mesure de l’inductance avant la contrainte de la pièce et une mesure de l’inductance après la contrainte de la pièce.

[0020] La déformation subie par la pièce imprimée est en partie transmise au témoin (corps d’épreuve). Ce témoin se déformant voit ses caractéristiques magnétiques varier. Le capteur étant à même de mesurer son état magnétique, il permet de remonter à la déformation du témoin et par connaissance du comportement mécanique total de la pièce, revenir aux déformations subies par la pièce.

[0021] L’inductance est mesurée à l’aide d’un appareil commercial dédié, qui peut être un impédance-mètre, ou une détection de fréquence de résonance par un système de détection synchrone.

[0022] Le capteur peut combiner une bobine avec un noyau en ferrite et un aimant. Lorsque ce capteur est proche du témoin magnétostrictif, celui-ci modifie le champ magnétique au niveau de l’interface bobine/aimant. Cela modifie donc la perméabilité du noyau en ferrite composant la bobine et par conséquent son inductance. Ainsi, lors d’une déformation, la perméabilité magnétique du témoin varie et donc son influence sur le capteur fait varier la valeur de l’inductance.

[0023] Les comportements magnétiques de certains aciers sous contraintes sont connus et donnent la valeur de la perméabilité par rapport à la déformation imposée. La connaissance du comportement mécanique du témoin permet alors de remonter à la contrainte en connaissant sa déformation.

[0024] Le témoin magnétostrictif est avantageusement placé dans une zone représentative de la déformation et en contact avec ladite zone prédéterminée ou à proximité de ladite zone prédéterminée. Pour éviter de changer le comportement mécanique de la pièce, le témoin est inclus de préférence à un endroit qui ne fragilise pas la pièce subissant des contraintes lors de son utilisation tout en permettant de renseigner à distance sur l’état de contraintes aux endroits d’intérêts (par exemple : encastrement, alésage). La localisation du témoin se fait lors de la conception mécanique de la pièce afin d’identifier les emplacements idéaux permettant son inclusion sans apporter des perturbations mécaniques (fragilisation, modification de la rigidité locale). [0025] La zone représentative de la déformation est une zone où on voit la déformation, par exemple une zone d’extrémité de la déformation, ou une zone déportée représentative de l’état de déformation de la zone critique (l’épicentre de la déformation). [0026] Le procédé peut comprendre, préalablement à l’étape de placement du témoin magnétostrictif, une étape de détermination, par simulation, de la zone représentative de la déformation.

[0027] La zone représentative de la déformation peut être une zone d’extrémité de la zone prédéterminée déformée. [0028] L’étape de placement, avant la contrainte de la pièce, d’un témoin magnétostrictif dans une zone représentative de la déformation, peut avoir lieu au cours du processus de fabrication de la pièce, et le procédé peut comprendre en outre une étape d’ajustement des paramètres de fabrication de la pièce pour une intégration saine du témoin magnétostrictif dans la pièce. [0029] La pièce peut être obtenue par fabrication additive métallique arc-fil.

[0030] La pièce peut être une pièce en un matériau non ferromagnétique, ou plus généralement en un matériau amagnétique.

[0031] La pièce peut comprendre un matériau métallique amagnétique, par exemple choisi par exemple parmi l’aluminium et le titane, ou parmi d’autres matériaux amagnétiques.

[0032] Le témoin magnétostrictif peut comprendre un acier, un alliage fer-gallium, un alliage de terbium, dysprosium et fer, ou un alliage de fer, nickel et cobalt, ou potentiellement tous types de matériaux magnétostrictifs.

[0033] Dans sa réalisation initiale, le capteur est constitué d’un bobinage avec un noyau ferromagnétique d’inductance L et d’un aimant permanent. La bobine peut être remplacée par un capteur de champ magnétique, et l’aimant peut être un aimant permanent ou un électroaimant. [0034] Le capteur formé de la bobine et de l’aimant est avantageusement associé à un condensateur de capacité C en parallèle de la bobine créant ainsi un résonateur LC dont la fréquence propre (w ₀ = 1/v C) peut être ajustée.

[0035] Les variations de l’état magnétique de la cible se traduisent par des modifications de la perméabilité magnétique relative (pr) effective du noyau ferromagnétique de la bobine.

[0036] Concrètement on observe :

- une modification de l’inductance L lorsque le capteur est placé sur un matériau conducteur amagnétique (ex. : aluminium, titane, cuivre) par l’apparition des courants de Foucault. Ainsi l’inductance L est fonction de l’épaisseur du métal et de la conductivité du métal.

- si on place un témoin magnétique sous un matériau conducteur amagnétique, alors l’inductance L est fonction de l’épaisseur du métal, de la conductivité du métal, de la profondeur du témoin, de la perméabilité du témoin, et du volume du témoin).

[0037] Ainsi, toute contrainte induisant une déformation du témoin magnétique entraînera une modification de la perméabilité magnétique du témoin et donc une variation d’une grandeur électrique du résonateur (décalage en fréquence, modification de l’impédance).

[0038] D’autres avantages et particularités de la présente invention résulteront de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux figures annexées :

[0039] [Fig. 1] illustre schématiquement un dispositif de fabrication additive métallique d’une pièce,

[0040] [Fig. 2] est une première vue schématique d’un dispositif de mise en œuvre du procédé selon l’invention, dans une première configuration du dispositif,

[0041] [Fig. 3] est une deuxième vue schématique d’un dispositif de mise en œuvre du procédé selon l’invention, dans une première configuration du dispositif, [0042] [Fig. 4] est une première vue schématique d’un dispositif de mise en œuvre du procédé selon l’invention, dans une deuxième configuration du dispositif,

[0043] [Fig. 5] est une deuxième vue schématique d’un dispositif de mise en œuvre du procédé selon l’invention, dans une deuxième configuration du dispositif,

[0044] [Fig. 6] est une vue en perspective illustrant le placement d’un témoin magnétostrictif dans la pièce.

[0045] [Fig. 7] est une vue de côté illustrant le placement d’un témoin magnétostrictif dans la pièce.

[0046] DESCRIPTION DETAILLEE

[0047] L’invention s’inscrit dans le domaine de la maintenance préventive de pièces mécaniques. Les nouvelles technologies de fabrication additive, notamment de type WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing en langue anglaise), permettent de réaliser des pièces tridimensionnelles complexes en matériaux métalliques amagnétiques soudables qui ne deviennent pas magnétiques après soudure, comme de l’aluminium ou de l’étain, et sans passer par des moules.

[0048] La fabrication additive a révolutionné le paradigme de la fabrication ces dernières années en offrant la possibilité de créer des pièces de formes très complexes, voire impossibles à obtenir par les procédés conventionnels, sans outillages et dans des délais très courts. Parmi les différentes techniques de fabrication additive, on trouve les technologies arc-fil métallique ou WAAM qui appartient à la famille du dépôt d’énergie direct (DED). Selon la norme ASTM F 279-12A (Standard Terminology for Additive Manufacturing Technologies en langue anglaise), ces procédés sont définis comme la combinaison d’un arc électrique utilisé comme source de chaleur et d’un fil utilisé comme apport de matières première.

[0049] Tel qu’illustré à la figure 1 , un dispositif 1 de fabrication additive de type arc-fil métallique comprend un robot 2 qui est muni d’une torche 3 permettant la fabrication additive sur un substrat 4. Le substrat 4 est disposé sur un dispositif vireur 5 à deux axes. [0050] Le robot 2 est relié à un générateur 6, qui est lui-même connecté à un réservoir de gaz 7, à une unité de contrôle à distance 8, ainsi qu’à un système de contrôle du robot 9.

[0051] Les figures 2 à 4 montrent une pièce 10 obtenue par le procédé décrit ci- dessus. L’invention consiste notamment à inclure pendant la phase de réalisation de la pièce 10, un témoin magnétostrictif 11 , par exemple une pièce témoin en acier, qui permet de connaître les déformations et donc les contraintes subies par la pièce 10 (figures 4 et 5).

[0052] Le procédé selon l’invention comprend avantageusement deux parties.

[0053] Une première partie comprend l’inclusion d’un témoin 11 , par exemple un témoin d’épaisseur inférieure à 1 mm, et de surface inférieure au cm ² , dans la pièce 10 en aluminium, à une distance de 0,5 à 5 mm de la surface de la pièce 11 , dans une zone permettant de contrôler les contraintes subies par cette pièce 11.

[0054] Le témoin 11 est ainsi invisible par une inspection externe. Pour cela, une première étape consiste, à partir du cahier des charges et d’une préconception du produit, à déterminer le placement du témoin en acier 11 pour contrôler les contraintes subies par la pièce 10 durant la phase d’utilisation définie par le cahier des charges. La géométrie de la pièce 10 peut être adaptée. La seconde étape a pour objectif de simuler le comportement de la pièce 10 en s’assurant que le témoin 11 répond, en fonction des différents chargements, aux attentes (avec éventuellement un retour à l’étape précédente si les résultats de la simulation ne sont pas conformes). Ces deux étapes reposent sur des modélisations et simulations par éléments finis. A la fin de ces deux étapes, la phase de conception de la pièce intelligente est terminée. L’étape suivante porte sur la préparation de la fabrication. La stratégie de fabrication (génération des trajectoires et choix des paramètres du procédé) est définie pour être compatible avec la fabrication de la pièce 10 et l’insertion du témoin en acier 11. Enfin, les dernières étapes concernent la validation de la stratégie de fabrication de la pièce intelligente et le test de son comportement. [0055] La deuxième partie traite de la mise en œuvre d’un capteur pour déterminer la déformation.

[0056] Initialement, ce capteur est composé d’une bobine 12 présentant par exemple une inductance d’une valeur de quelque mH. L’originalité réside dans le report d’un aimant 13 (de surface par exemple inférieure à 1 cm ² , et d’épaisseur par exemple de l’ordre de quelques millimètres) sur la bobine 12. Cet ajout diminue sa valeur d’inductance (Lo® Li) par perturbation de la ferrite constituant le noyau de la bobine. Un condensateur, non représenté, est avantageusement relié en parallèle à l’ensemble bobine 12/aimant 13 afin de décaler la fréquence de résonance du filtre LC ainsi constitué.

[0057] On se place tout d’abord loin de toutes cibles métalliques afin de mesurer la fréquence de résonance du capteur (fo et F = 0°). On se place ensuite avec le capteur sur une pièce en aluminium 10. Des courants de Foucault viennent alors perturber l’inductance du capteur ce qui entraîne la diminution de sa valeur (Li® L2). La fréquence de résonance s’en trouve changée et on choisit la fréquence de travail correspondant à une phase F = - 45°. Ce choix correspond à un point de fonctionnement pour lequel la sensibilité en °/Hz est la plus élevée. Enfin, lorsqu’on place un témoin 11 en acier sous l’aluminium on constate une variation de l’inductance (L2® L3) provoquée cette fois ci par l’influence magnétique. En effet la présence de l’acier proche d’un aimant augmente de quelques centaines de mT voir du mT le champ magnétique vu par l’inductance. Cette perturbation entraîne la diminution de l’inductance du capteur qui voit ainsi sa fréquence de résonance augmenter.

[0058] En lisant l’écart entre la phase initiale de -45° dans le cas de l’aluminium seul et la phase obtenue lors de la lecture de l’acier, il est possible de mesurer l’état magnétique du témoin en connaissant son volume.

[0059] L’étape suivante consiste alors à contraindre l’ensemble et de noter les variations de la phase de l’impédance du capteur qui sont engendrées par la variation de la perméabilité de l’acier contraint. Il est ainsi possible de remonter aux contraintes vues par le témoin et donc aux contraintes subies par la pièce en aluminium.

[0060] Pour vérifier que le capteur est sensible aux variations de perméabilité, deux expériences ont été réalisées :

- faire varier l’épaisseur du témoin en acier sous l’aluminium de 10 pm à 1 mm chaque témoin ayant donné sa propre signature,

- placer un échantillon d’aluminium (qq mm d’épais) sous lequel un témoin en acier a été collé, dans une étuve avec notre capteur, les signaux obtenus ont montré des contraintes engendrées dans l’acier par phénomène de dilatation thermique.

[0061] La figure 6 représente un exemple d’installation pour recouvrir et noyer une inclusion magnétique 11 (le témoin). Celle-ci est maintenue via une pince 14 à une masse 15 servant d’échangeur thermique. Le maintien du témoin 11 dans une position donnée peut être réalisé autrement et sans échangeur thermique. Les cordons de soudures 16 sont ici réalisés avec une torche de soudure 3 mais peuvent être réalisés avec une technologie différente. En fonction des paramètres utilisées pour réaliser le cordon 16, la distance d entre la surface de l’inclusion 11 et le centre du cordon de soudure le plus proche peut varier.

[0062] La figure 7 représente une vue de côté en coupe de l’inclusion magnétique 11. Elle est noyée autour de plusieurs cordons de soudures 16 empilés les uns sur les autres et déposés de part et d’autre de l’inclusion magnétique 11.

Liste des références

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