FR3087270A1

FR3087270A1 - Procede et dispositif de controle de la qualite d'un lit de poudres dans les procedes de fabrication additive

Info

Publication number: FR3087270A1
Application number: FR1859562A
Authority: FR
Inventors: Jean-Paul Garandet; Jean-Daniel PENOT; Jean-Marc Decitre; Samuel Legoupil
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2018-10-16
Filing date: 2018-10-16
Publication date: 2020-04-17
Also published as: WO2020079041A1; EP3867043A1

Abstract

La présente invention concerne un dispositif et un procédé de contrôle de la qualité d'un lit de poudres dans un système de fabrication additive. Le procédé comprend des étapes consistant à: - mesurer un signal électrique représentatif de valeurs de courants de Foucault, reçu en réponse à une excitation électromagnétique variable dans le temps produite par un émetteur sur une zone à inspecter d'une couche d'un lit de poudres; - évaluer la température de la couche du lit de poudres au voisinage de la zone inspectée ; - corriger les valeurs du signal électrique représentatif de valeurs de courants de Foucault représentées par ledit signal électrique mesuré, en fonction des valeurs de température obtenues par l'évaluation de la température ; - comparer les valeurs corrigées à des valeurs de référence ; et - déterminer en fonction du résultat de la comparaison, la présence ou non de défaut dans ladite zone inspectée.

Description

PROCEDE ET DISPOSITIF DE CONTROLE DE LA QUALITE D’UN LIT DE POUDRES DANS LES PROCEDES DE FABRICATION ADDITIVE

Domaine de l’invention

L’invention se situe dans le domaine de la Fabrication Additive (FA), notamment le domaine de la fabrication additive basée sur la mise en œuvre d’un lit de poudres, et concerne plus particulièrement un procédé et un dispositif de contrôle de la qualité d’un lit de poudres étalée par un dispositif de mise en couche d’un système de fabrication additive.

Etat de la Technique

Le terme de fabrication additive désigne selon la norme NF E 67001, «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 ISO 17296-2 Juin 2015.

Parmi ces procédés basés sur la mise en œuvre d’un lit de poudres, on trouve en particulier ceux où la poudre est fondue et resolidifiée localement, désignés comme fusion sur lit de poudres ou par l’acronyme anglais (PBF) pour « Powder Bed Fusion >>. Les procédés dits PBF incluent les procédés mettant en œuvre une fusion complète des grains de poudre (e.g. SLM™ pour « Selective Laser Melting » ou EBM pour « Electron Beam Melting >>). Par abus de langage, l’acronyme PBF est utilisé pour les procédés où la cohésion de la matière est assurée par frittage du matériau (procédés SLS pour « Selective Laser Sintering >>). Rentrent également dans le cadre des procédés lits de poudre ceux basés sur l’injection locale d’un liant sur le lit, on parle alors de Binder Jetting ou de procédé à jet de liant.

Dans ces procédés, il est fondamental de contrôler la qualité du lit de poudres, notamment pour détecter des défauts de type oxydation des poudres constitutives du lit ou des hétérogénéités dans ledit lit susceptibles de conduire à des défauts sur les pièces élaborées.

Pour l’analyse de la qualité de la mise en couche d’un système d’étalement dans les procédés PBF, les techniques de l’optique, dans la gamme de longueur d’ondes du visible sont généralement utilisées. Pour ce faire, une (ou une pluralité de) prise(s) de vue sont effectuées, et l’analyse du signal permet de détecter d’éventuels manques ou excès de matière. Cependant ces techniques optiques ne permettent pas d’accéder à des informations sur la morphologie du lit de poudres sous la surface. Elles sont par ailleurs limitées pour détecter l’oxydation des poudres.

Une autre technique de monitoring couramment utilisée dans les procédés PBF est basée sur l’analyse d’un signal thermographique dans la gamme Infra Rouge, comme décrit dans l’article de B. Lane, S. Moylan, E. Whitenton, L. Ma, Rapid Prototyp J., 22 (2016) 778-787. Cette technique mesure le flux rayonné par la matière et apporte des informations intéressantes quant au champ de température à la surface du lit de poudres. Cependant, là encore cette technique ne permet pas d’accéder à des informations détaillées sur la compacité et la morphologie du lit de poudres sous la surface et ses capacités en matière de détection de défauts du type oxydation sont limitées.

La technique des Courants de Foucault (CF), basée sur la détection d’un signal électrique émis par un matériau conducteur de l’électricité soumis à un champ électromagnétique variant dans le temps est également une technique connue pour faire du contrôle. Il est connu de l’homme de l’art que la profondeur sondée par le courant excitateur dépend de la fréquence de l’onde et de la perméabilité magnétique et de la conductivité électrique du matériau sondé. La technique des courants de Foucault a déjà été utilisée dans le domaine de la fabrication additive pour la détection de défauts sur des pièces en cours d’élaboration, tels que des fissures, des manques de fusion, des porosités, des irrégularités de forme. La demande de brevet U.S. 2016/0349215 A1 de E.l. Todorov décrit la possibilité d’implémenter une pluralité de sondes à Courants de Foucault sur un dispositif d’étalement des poudres, utilisant une gamme de fréquences entre 1.5 MHz et 4 MHz. Cependant, cette approche ne donne pas d’informations sur la possibilité de sonder le lit de poudres luimême.

Il existe donc un besoin pour pallier les inconvénients des approches connues et pour proposer une solution permettant l’analyse in situ de la qualité d’un lit de poudres subséquemment à la mise en couche dans les procédés de Fabrication Additive de type PBF. La présente invention répond à ce besoin.

Résumé de l’invention

Un objet de la présente invention concerne un procédé et un dispositif de contrôle de la qualité du lit de poudres dans les procédés de fabrication additive, et plus particulièrement la famille des procédés de fusion sur lit de poudres (PBF). Plus précisément, l’invention vise à détecter des dérives sur la qualité des poudres et dans la qualité de mise en couche, dérives dues par exemple à une entrée d’oxygène dans la chambre de fabrication ou une usure de l’instrument (e.g. raclette ou rouleau) utilisé pour l’étalement et la compaction des poudres ou dues à un défaut d’alimentation en poudre. L’invention vise en particulier à caractériser la qualité de mise en couche pour détecter d’éventuelles hétérogénéités spatiales d’étalement ou de dérives temporelles au cours du procédé de FA.

Un problème que vise à résoudre la présente invention est celui de l’analyse de la qualité des lits de poudres dans les procédés de fabrication additive basés sur la mise en oeuvre d’un lit de poudres, utilisant des matériaux conducteurs de l’électricité.

Or il est connu de l’homme du métier que sur un matériau diphasique type empilement de poudres, le signal CF obtenu par un dispositif à courants de Foucault rend en fait compte de l’impédance électrique du milieu. Par ailleurs dans un matériau tel qu’un lit de poudres, les composantes imaginaires (inductance et capacité) de l’impédance sont généralement plus importantes que dans un matériau métallique dense, où l’impédance est dominée par la résistance (ou de façon équivalente la conductance) du matériau.

Une première difficulté est que la conductivité électrique d’un matériau métallique dépend de la température, cette dernière variant au cours de l’élaboration dans un procédé PBF. Aussi, l’invention propose d’associer une évaluation de température à celle des courants de Foucault (CF) pour faire la part dans l’interprétation du signal CF, des variations liées à la température de celles associées à d’éventuelles dérives liées à la mise en couche.

Bien qu’il n’était a priori pas évident de penser que les poudres étaient suffisamment conductrices pour permettre une analyse par CF, les inventeurs ont évalué que cela était possible pour la plupart des lits de poudres de matériaux métalliques. Les matériaux concernés par la présente invention sont les matériaux conducteurs électriques, plus particulièrement les métaux.

Pour justifier leur affirmation, les inventeurs se basent au premier ordre sur la loi de Wiedemann et Franz qui permet de relier la conductivité thermique et la conductivité électrique d’un matériau métallique et ils utilisent le fait observé expérimentalement que les conductivités thermiques des métaux varient assez peu avec la température. Ainsi au premier ordre, la conductivité électrique d’un métal peut donc être considérée comme variant en ordre de grandeur comme l’inverse de la température en kelvins, ce qui conduit à des variations significatives.

Un autre facteur très important que les inventeurs ont pris en compte pour l’analyse des signaux est le fait que la matière est déposée sous forme de poudres qui ne permettent un transfert des porteurs de charges qu’aux points de contact entre les grains de poudres. De ce fait, la conductivité d’un lit de poudres est donc très significativement inférieure à celle d’un matériau massif, et comme exposé ci-dessus, elle peut présenter une composante complexe, liée par exemple à des effets capacitifs.

Dans les approches par simulation numérique des procédés de fabrication additive, il y a lieu dans les modèles de simulation d’indiquer une valeur de conductivité thermique du lit de poudres. Même si la littérature fait état de différences d’appréciation sur le rapport entre les conductivités thermiques d’un matériau sous forme de lit de poudres et sous forme massive, ce rapport n’est jamais en pratique pris inférieur à 0.01. A une température donnée, on peut donc penser que la conductivité du lit de poudres ne sera pas inférieure au centième de celle du matériau massif.

Par ailleurs, on désigne par « l’épaisseur de peau >>, la hauteur de la zone sous la surface pénétrée par le champ électromagnétique incident. Cette hauteur qui est fonction du produit de la conductivité électrique par la fréquence d’excitation, est conventionnellement donnée par la formule suivante :

δ = (πμσί)'^1/2 où δ, μ, σ et f représentent respectivement l’épaisseur de peau, la perméabilité magnétique et la conductivité électrique du matériau et la fréquence d’excitation.

Il est alors nécessaire, en fonction de la nature du matériau à élaborer, de la granulométrie et de la morphologie des poudres, ainsi que de leur taux de compaction, d’utiliser des fréquences d’excitation plus élevées que celles rencontrées habituellement dans les techniques à courants de Foucault pour compenser la faible conductivité électrique des poudres. Selon différentes configurations, les fréquences d’excitation que les inventeurs ont déterminées comme opérantes pour la mise en œuvre de l’invention, peuvent varier entre 5 et 500 MHz, et préférentiellement être dans une plage allant de 50 à 200 MHz.

Dans un mode préférentiel de mise en oeuvre, l’invention utilise la variation de la profondeur de pénétration conventionnelle ou effet de peau, avec la fréquence d’excitation pour sonder différentes profondeurs en subsurface, l’échelle de sondage étant donnée par l’épaisseur de peau définie ci-dessus. Dans la pratique, le signal d’excitation pour alimenter le(s) capteur(s) à courants de Foucault peut avantageusement comprendre plusieurs fréquences, identiques ou non, pouvant être appliquées de manière simultanée ou plusieurs fréquences appliquées successivement.

Avantageusement, le procédé de l’invention est applicable à une vaste gamme de métaux purs et d’alliages métalliques, par exemple ceux basés sur l’aluminium (Al), le chrome (Cr), le fer (Fe), le nickel (Ni) et le titane (Ti).

Le procédé de l’invention est particulièrement bien adapté aux matériaux présentant une perméabilité magnétique élevée, comme le fer, le nickel, ce qui permet, à conductivité électrique et fréquence d’excitation données, de réduire l’épaisseur de peau.

Une difficulté supplémentaire que les inventeurs ont dû prendre en compte est celle liée à la rugosité du lit de poudres, celui-ci pouvant récupérer en surface des éjectats, particules émises sous forme liquide par le bain de fusion et qui se redéposent sous forme solide à la surface du lit de poudres. Aussi, de manière préférentielle, il doit être conservé une distance de sécurité ou entrefer entre un capteur à courants de Foucault et le lit de poudres, afin de prendre en compte la présence d’éjectats. En fonction de la taille (diamètre) du bobinage utilisé pour la ou la pluralité des sondes à courants de Foucault, le dispositif de l’invention maintient un entrefer qui peut aller de 50 pm à 1 cm, et préférentiellement de 50 pm à 2 mm.

Ainsi, le principe général de l’invention pour l’analyse de la qualité d’un lit de poudres sur une zone à inspecter, consiste en l’utilisation d’une technique de mesures CF in situ de Courants de Foucault (par un appareil émetteur/récepteur à courants de Foucault), puis en la combinaison des mesures CF obtenues avec une évaluation de la température du lit de poudres faite au voisinage de la zone inspectée. L’expression ‘au voisinage’ de la zone inspectée doit s’entendre comme indiquant que l’évaluation de température peut être faite pour une zone couvrant la totalité de la zone inspectée ou une partie de la zone inspectée ou aux environs de la zone inspectée.

Avantageusement, l’évaluation de température peut être réalisée en surface et/ou en subsurface par tous moyens connus de l’homme de l’art. Il peut être cité sans limitation, l’utilisation d’une caméra sensible au rayonnement infrarouge et/ou l’utilisation d’un ou d’une pluralité de pyromètres. Dans un mode de réalisation, une pluralité de détecteurs infrarouges est installée de façon adjacente à une pluralité de capteurs à courants de Foucault sur un dispositif mobile capable de scanner l’ensemble du lit de poudres.

Dans un autre mode de réalisation, des moyens de simulation numérique des transferts de chaleur peuvent être mis en œuvre de manière alternative ou complémentaire à la mesure de température, pour estimer la température dans la partie supérieure du lit de poudres. La simulation peut s’appuyer sur des données fournies par des thermocouples situés sous le plateau de la machine de FA.

L’invention trouvera des applications avantageuses dans de nombreux domaines techniques tels que les industries aéronautique, spatiale, médicale ou automobile, pour ne citer que ces exemples d’industries qui peuvent faire usage de procédés de fabrication additive basés sur lit de poudres.

Ainsi le procédé de l’invention s’applique avantageusement à la fabrication additive par les procédés utilisant un lit de poudres, notamment les procédés (SLM™, EBM, SLS). Le procédé de l’invention concerne également les procédés à jet de liant connu comme « Binder Jetting >> où un liant est projeté pour réaliser une pièce à cru qui doit par la suite être déliantée et frittée.

Pour obtenir les résultats recherchés, il est proposé un procédé de contrôle de la qualité d’un lit de poudres dans un système de fabrication additive, le procédé comprenant les étapes de :

- mesurer un signal électrique représentatif de valeurs de courants de Foucault, reçu en réponse à une excitation électromagnétique variable dans le temps produite par un émetteur sur une zone à inspecter d’une couche d’un lit de poudres;

- évaluer la température de la couche du lit de poudres au voisinage de la zone inspectée ;

- corriger les valeurs du signal électrique représentatif de valeurs de courants de Foucault représentées par ledit signal électrique mesuré, en fonction des valeurs de température obtenues par l’évaluation de la température ;

- comparer les valeurs corrigées à des valeurs de référence ; et

- déterminer en fonction du résultat de la comparaison, la présence ou non de défaut dans ladite zone inspectée.

Selon des modes de réalisation alternatifs ou combinés:

- l’étape de mesure d’un signal électrique consiste à calculer des valeurs d’amplitude et de phase du signal reçu; et l’étape de comparaison consiste à comparer les valeurs corrigées d’amplitude et de phase à des valeurs d’amplitude et de phase de référence.

- l’étape de mesure d‘un signal électrique consiste à mesurer une tension induite aux bornes d’un capteur, et à calculer une valeur d’impédance du lit de poudres au-dessous de la zone inspectée; et l’étape de comparaison consiste à comparer la valeur corrigée d’impédance du lit de poudres à une valeur d’impédance de référence.

- le procédé comprend une étape initiale de calibration d’un appareil émetteur/récepteur à courants de Foucault permettant de réaliser l’étape de mesure, et lequel l’étape de corriger les valeurs de courants de Foucault représentées par ledit signal électrique mesuré, prend en compte des données de calibration.

- l’étape d’évaluation de la température de la couche consiste soit à faire une mesure directe de la température, soit à estimer la température par simulation dont notamment par application d’une méthode des éléments finis.

- l’étape de correction des valeurs de courants de Foucault représentées par ledit signal électrique mesuré, consiste à corriger lesdites valeurs par rapport à des abaques de référence donnant la variation de la conductivité électrique en fonction de la température pour des lits de poudre donnés.

- l’étape de détermination de la présence d’au moins un défaut consiste à identifier des écarts de valeurs qui sont représentatifs d’hétérogénéités en surface ou d’oxydation du lit de poudres.

- l’étape de mesure de signal électrique est faite sur une pluralité de zones du lit de poudres, à des fréquences d’excitation identiques ou différentes.

- l’étape de correction des valeurs de courants de Foucault consiste à corriger une valeur moyenne ou une variance du signal.

- les étapes de mesure du signal électrique et d’évaluation de température sont réalisées de manière séquentielle.

- le procédé comprend séquentiellement une première étape d’évaluation de température, une étape de mesure du signal électrique, et une deuxième étape d’évaluation de température afin de prendre en compte toute variation de température entre le début et la fin de la mesure du signal électrique.

- les étapes de mesure du signal électrique et d’évaluation de température sont réalisées de manière simultanée.

L’invention couvre aussi un procédé de fabrication additive sur lit de poudres qui comprend des étapes de contrôle de la qualité du lit de poudres conformes aux étapes du procédé revendiqué. Les étapes de contrôle de la qualité du lit de poudres peuvent être réalisées simultanément soit lors d’une opération de mise en couche par un racleur, soit suite à une opération de fusion.

L’invention couvre de plus un dispositif de contrôle de la qualité d’un lit de poudres pour un système de fabrication additive, le dispositif comprenant au moins un appareil émetteur/récepteur à courants de Foucault, un système d’évaluation de température, un système d’acquisition et de pilotage permettant de recueillir et analyser des données relevées par l’appareil à courants de Foucault et par le système d’évaluation de température, le dispositif de contrôle de la qualité du lit de poudres comprenant de plus des moyens pour mettre en œuvre le procédé de contrôle de la qualité d’un lit de poudres revendiqué.

Selon des modes de réalisation alternatifs ou combinés:

- l’appareil à courants de Foucault comprend au moins une bobine pour réaliser la fonction d’excitation et au moins un capteur pour réaliser la fonction de réception.

- le capteur en réception est un capteur inductif ou magnétorésistif.

- l’appareil à courants de Foucault opère à une ou une pluralité de fréquences d’excitation comprise dans une plage allant de 5 MHz à 500 MHz.

- le système d’évaluation de température est une caméra infrarouge ou un pyromètre couplé à l’appareil à courants de Foucault.

- l’appareil à courants de Foucault est couplé à un dispenseur de poudre du système de fabrication additive.

L’invention couvre aussi un système de fabrication additive sur lit de poudres qui comprend un dispositif de contrôle de la qualité du lit de poudres tel que revendiqué et des moyens matériels et logiciels associés pour mettre en œuvre le procédé de contrôle de la qualité du lit de poudres tel que revendiqué.

Description des figures

Différents aspects et avantages de l’invention vont apparaître en appui de la description d’un mode préféré d’implémentation de l’invention mais non limitatif, avec référence aux figures ci-dessous :

La figure 1 est une représentation simplifiée d’un système de fabrication additive permettant d’implémenter le dispositif de l’invention;

La figure 2 illustre un mode de réalisation du dispositif de l’invention;

La figure 3 illustre une variante de réalisation du dispositif de l’invention;

La figure 4 illustre une autre variante de réalisation du dispositif de l’invention; et

La figure 5 illustre un enchaînement d’étapes du procédé de l’invention dans un mode de réalisation pour contrôler la qualité de mise en couche.

Description détaillée de l’invention

La figure 1 montre un système de fabrication additive (100) permettant d’implémenter le dispositif de l’invention dans un premier mode de réalisation. Le système de FA comprend un plateau support de construction (102) sur lequel une ou plusieurs pièces (104) sont fabriquées selon un procédé de fabrication additive sur lit de poudres, un réservoir de poudre (106) et un dispenseur ou difffuseur de poudre (108), par exemple de type racle ou rouleau, qui permet d’amener et d’étaler de la poudre du réservoir vers le plateau support pour opérer une mise en couche dans le lit de poudres (110). Sous l’effet d’une source de chaleur (non représentée), la fusion de la poudre opère aux endroits destinés à produire une couche de la ou des pièces à fabriquer. Ce processus se répète couche après couche jusqu’à l’obtention de la ou des pièces finales. 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 et les variantes de réalisation basées sur ce même principe.

Pour contrôler la qualité de la mise en couche, le dispositif de l’invention est généralement constitué d’un appareil à courants de Foucault (112), d’un système de mesure de température (114) et d’un système d’acquisition et de pilotage (116) permettant de recueillir et analyser les données relevées par les systèmes à courants de Foucault et de mesure de température.

L’appareil à courants de Foucault (capteur ou sonde) est constitué d’au moins une bobine pour réaliser la fonction d’excitation et d’au moins un capteur pour réaliser la fonction de réception. Le capteur en réception peut être notamment un capteur inductif ou magnétorésistif. On peut également utiliser des capteurs à effet Hall, de type Giant MagnetoImpedance (GMI) où à porte de flux (Flux Gate). L’homme de l’art pourra se reporter à la littérature sur les dispositifs à courants de Foucault pour envisager des variantes d’implémentation. En particulier, il peut être envisagé des implémentations où les deux fonctions d’excitation et de réception sont séparées ou confondues, dans ce dernier cas par la réponse en impédance de la bobine excitatrice.

De manière préférentielle, le capteur CF est choisi pour être le plus sensible possible à des variations de la conductivité. Il peut être optimisé dans ce sens en utilisant des outils de simulation connus. Selon diverses implémentations, un système basé sur les CF peut intégrer une pluralité de capteurs, identiques ou non, travaillant à des fréquences identiques ou non.

Selon un premier mode de réalisation illustré en figure 1, le système de mesure de température (114) est une caméra infrarouge (IR) qui fait des mesures sur toute la couche du lit de poudres.

Dans une variante de réalisation illustrée en figure 2, le système de mesure de température est un dispositif de type pyromètre (214) couplé au capteur CF (112) qui permet de faire des mesures de température locales du lit de poudres.

Dans une autre variante de réalisation illustrée en figure 3, le système à courants de Foucault (112) est couplé au diffuseur de poudre (108). De manière préférentielle, le dispositif de mise en couche (108) est solidaire du capteur CF sur le même axe, un décalage selon ledit axe étant préférable. Dans une telle configuration, l’inspection de la mise en couche par la sonde CF (112) et par le système de mesure de température (114) est réalisée simultanément à l’opération courante de la mise en couche par le racleur (108).

Dans une autre variante non illustrée, une pluralité de capteurs CF peut être disposée sur tout ou partie de la longueur de l’axe du diffuseur de poudre.

Dans une implémentation où le dispositif de mise en couche est de type racleur ou rouleau, les capteurs CF peuvent par exemple être intégrés audit racleur ou rouleau.

La figure 4 illustre une configuration alternative du dispositif de l’invention où l’inspection de la mise en couche par la sonde CF (112) et par le système de mesure de température (114) est réalisée durant la fabrication d’une pièce (104), i.e. lors de l’opération de fusion ici illustrée par un balayage d’une source laser (402). Diverses sources d’énergie peuvent être utilisées, comme par exemple et sans caractère limitatif, un faisceau laser (402), un faisceau d’électron ou une source plasma.

Les matériaux concernés par la présente invention sont les matériaux conducteurs électriques, plus particulièrement les métaux.

La figure 5 illustre un enchaînement d’étapes (500) d’une mise en oeuvre du procédé de l’invention pour contrôler la qualité d’un lit de poudres. Le procédé débute lorsqu’une couche ‘n’ est étalée. L’homme du métier comprend que le procédé qui est basé sur une mesure des courants de Foucault requiert qu’il y ait un lit de poudres d’épaisseur minimum mais suffisante pour initier une première mesure, afin d’assurer que les courants mesurés soient ceux induits dans le lit de poudres, et non dans le plateau support. Ainsi, dans le cas usuel d’un plateau à forte conductivité électrique, il sera attendu le dépôt d’une hauteur de poudre de l’ordre de quelques millimètres avant d’initier le procédé de contrôle. De manière préférentielle, le procédé peut être initié quand la hauteur de poudre est supérieure à 1 cm, cette valeur dépendant de la conductivité et de la perméabilité de la poudre. Cependant, la hauteur pré-requise peut être inférieure, en particulier dans le cas où un étalonnage préliminaire du lit de poudres est réalisé. Le procédé est déroulé pour déterminer la qualité du lit de poudres sur une zone à inspecter.

Le procédé se poursuit par les étapes (502) et (504) qui peuvent être opérées soit de manière simultanée comme illustré, soit de manière séquentielle l’une après l’autre sans ordre imposé.

L’étape (502) consiste à réaliser les mesures des courants de Foucault. Selon le système CF implémenté, mais de manière connue pour effectuer des mesures CF, la fonction d’excitation crée au-dessus d’une zone vierge du lit de poudres à inspecter (i.e. une zone non soumise ou pas encore soumise à un flux de chaleur correspondant à une étape du procédé de fabrication additive), un champ électromagnétique variable lorsque le bobinage émetteur est parcouru par un courant électrique variable. Le lit de poudres en vis-à-vis de ce champ est conducteur et devient le siège de courants de Foucault. La fonction réceptrice du capteur CF est alors le siège d’une force électromotrice (tension) de mêmes fréquences qu’à l’émission dans le cas d’un récepteur inductif ou d’une variation de tension (également de mêmes fréquences que celles d’émission) dans le cas d’un capteur magnétorésistif. Dans un mode de réalisation, les fréquences sont comprises dans une plage allant de 5 MHz et 500 MHz.

L’amplitude et la phase de ces tensions dépendent des valeurs de la conductivité et de la perméabilité du lit de poudres. Un module de démodulation du système CF permet d’extraire le signal aux fréquences utilisées, i.e. mesurer les amplitudes et les phases du signal électrique en réception pour chacune des fréquences (et pour chacun des capteurs, éventuellement en utilisant un multiplexeur). Ces signaux sont enregistrés pour chaque capteur CF élémentaire et chaque position de ces capteurs. L’étape (502) permet de générer une représentation de ces données par exemple sous la forme de cartographies de Courants de Foucault en amplitude et/ou en phase ou, ce qui est équivalent, sous la forme de cartographies CF en parties réelle et imaginaire.

L’étape (504) consiste à évaluer la température du lit de poudres au voisinage de la zone inspectée par CF. Dans un mode de réalisation, l’évaluation de la température T° est réalisée partout moyen précité, par exemple via une caméra IR sur l’ensemble du lit de poudres, ou plus localement par un dispositif de mesure de température lié au capteur CF. L’évaluation de la température peut être représentée sous la forme d’une cartographie de température. Les mesures sont transmises au système d’acquisition et de pilotage (116).

Dans un mode de réalisation alternatif de l’étape d’évaluation de température, la température peut être évaluée par simulation, par exemple par application de la méthode des éléments finis.

Dans une variante de réalisation où les étapes de mesure CF (502) et d’évaluation de température (504) sont séquentielles, le procédé peut enchaîner une première étape de mesure de température, une étape de mesure CF et une deuxième étape de mesure de température après la mesure CF, afin de prendre en compte toute variation de température entre le début et la fin de la mesure par CF.

Après que les relevés de T° et de signaux CF (éventiellement sous la forme de cartographies T° et CF) soient transmis à l’unité d’acquisition et de pilotage (116), le procédé se poursuit à l’étape suivante (506) pour corriger les données CF à partir des données de température. Les données peuvent éventuellement être prétraitées par rapport à des valeurs d’étalonnage, la cartographie de température peut aussi être ré-échantillonnée, et la correction des données CF ou de la cartographie CF à partir des données de température, se fait sur les données prétraitées.

La correction de la cartographie CF est faite en évaluant une courbe donnant la variation de la conductivité en fonction d’une température donnée, soit de manière expérimentale, soit de manière théorique pour un lit de poudres donné. Pour une analyse quantitative plus précise, comme expliqué ci-dessous, des abaques de référence peuvent être réalisées à partir de relevés expérimentaux de signaux CF obtenus sur des échantillons de poudre compactée représentatifs d’une pluralité de lits de poudre, en fonction de la température. Ceux-ci permettent de relier une signature électromagnétique aux propriétés intrinsèques d’une poudre - matériaux/composition, granulométrie, morphologie, taux d’oxydation, humidité, ... - et aux caractéristiques de la mise en couche - taux de compacité, densité. Sur tout ou partie de ces échantillons, l’effet de la température sur les signaux mesurés peut également être quantifié au préalable, possiblement hors machine, en utilisant par exemple un four asservi en température. Ces valeurs de références sont utilisées pour quantifier les propriétés du lit de poudres.

Elles sont notamment nécessaires pour obtenir une évaluation quantitative de certains paramètres tels que la densité ou la compacité du lit de poudres.

Dans une étape suivante (508), le procédé permet de comparer les valeurs corrigées à des valeurs de référence afin de déterminer s’il existe des défauts ou irrégularités du lit de poudres.

Il est possible de citer sans caractère limitatif, les défauts ou inhomogénéités liés à : la porosité ou le manque de matière, la présence de protubérances (éjectas, « balling », ...), la variation de compacité du lit de poudres, la fissuration du lit de poudres, l’oxydation, etc.

Si des écarts par rapport à des valeurs de référence sont constatés, signifiant de possibles défauts, le procédé permet (branche «oui ») dans une étape suivante (512) une rétroaction sur le procédé général de FA tel que par exemple appliquer une action corrective comme déclencher une nouvelle passe du système de mise en couche, avec potentiellement une augmentation de son couple moteur ou alors procéder à l’arrêt de la machine.

De manière avantageuse, le procédé permet que les zones dans lesquelles une/des pièce(s) en cours de fabrication est/sont soumise(s) au flux de chaleur selon le procédé de FA (et leur voisinage) soi(en)t exclue(s) de l’analyse, du fait de la perturbation ramenée par la conductivité du matériau massif de la pièce.

S’il n’est pas constaté d’écart significatif entre les valeurs corrigées et les valeurs de référence (branche « non »), le procédé peut reboucler au début pour une nouvelle inspection de mise en couche (510).

Ainsi, le procédé de l’invention permet à partir de l’estimation par Courants de Foucault de l’impédance du lit de poudres corrigée par une mesure de la température locale, la détection de défauts, et en particulier d’hétérogénéités, dans un lit de poudres lors de la mise en couche dans un dispositif de Fabrication Additive.

Dans un mode de réalisation, le procédé peut comprendre une étape de calibration initiale du capteur CF et de l’appareil CF de démodulation afin de compenser les dérives thermiques et permettre de réaliser des mesures comparatives. Une telle calibration est connue de l’homme du métier comme étant réalisée couramment lors de la détection de défauts par la méthode des courants de Foucault. Cette étape peut être réalisée avant une mesure ou un cycle de mesures (en considérant que, durant le balayage de la pièce, la température des capteurs CF et de l’électronique de démodulation sera stable), préférentiellement avant et après chaque mesure, dans le but de compenser une évolution de la température du capteur et éventuellement de l’électronique de démodulation.

Dans le cas d’un réseau de capteurs CF, il y a lieu de calibrer l’ensemble des capteurs CF élémentaires. Eventuellement, cette étape peut être utilisée pour équilibrer les capteurs, ce qui est une étape également classique en méthode CF et qui consiste à ramener le signal CF à l’origine. Cette étape de calibration peut être réalisée selon l’une ou une combinaison des approches suivantes :

(a) Mesure du signal CF sur un ou plusieurs étalons aux propriétés connues disposés dans l’équipement, e.g. au sein de la chambre de fabrication, en bordure du lit de poudres, présentant si possible des conductivités électriques proches de celle attendue dans le lit de poudres. Ces étalons peuvent inclure un ou plusieurs échantillons de poudre, de conductivité connue et stable (par exemple la poudre est enclose dans un contenant n’interférant pas avec la mesure CF). Ces étalons peuvent également être composés de semiconducteurs à faible gap (de type InSb, InAs...) convenablement dopés pour être dans la bonne gamme de conductivités, ou de carbone ou de composites à base carbone, ces exemples ne revêtant aucun caractère limitatif. De manière avantageuse, cette mesure de conductivité est réalisée avant et après chaque phase de mesure. Cette approche donne de meilleurs résultats, sans fortes contraintes.

(b) La phase de calibration est réalisée en amont voire en aval du procédé de fabrication FA, par l’emploi d’étalons similaires à ceux employés pour l’approche (a) mais non intégrés à la machine. Ces mesures de références sont produites hors machine ou par l’introduction temporaire des étalons dans la machine. Ce mode ne permet néanmoins pas de s’affranchir des dérives du capteur et de l’électronique de démodulation au cours de la fabrication. Cette approche est plus simple à mettre en oeuvre.

La séquence de calibration s’insère à différents stades du processus d’inspection du lit de poudres. Dans un mode particulier, le lit de poudres lui-même est utilisé comme référence pour la calibration du procédé. Une série de mesures de conductivité sur une surface représentative du lit est réalisé. Une valeur moyenne - sur la totalité de la surface de mesure, ou uniquement sur les régions à faible variance (impédance, et/ou composante réelle et/ou imaginaire) - est calculée et sert de référence. Une série de mesures opérée sur le lit chauffé uniformément à différentes températures ou sur ce même lit présentant des gradients de température contrôlés peut également permettre d’obtenir des points de calibrations de l’impédance ‘Z’ de la poudre étudiée en fonction de la température T°, à savoir‘ôZ/ôT. Les données de la calibration sont transmises à l’unité d’acquisition et de pilotage (116) pour être prises en compte lors du traitement des données (506). Et lors de l’étape de détermination de défauts (508), la présence d’irrégularités du lit est déterminée de façon relative par rapport à cette ou ces valeurs de référence.

Dans un mode alternatif, aucune phase de calibration n’est réalisée, notamment dans le cas où l’appareil de démodulation est robuste vis-à-vis des dérives thermiques.

La présente description illustre des exemples d’implémentation de l’invention, mais n’est pas limitative, et doit permettre à l’homme du métier d’apporter des modifications et variantes d’implémentation en conservant les mêmes principes, mais en tenant compte que l’inspection du lit de poudres par CF requiert de choisir quatre paramètres principaux :

- L’entrefer, i.e. la distance entre le capteur CF et le lit de poudres. Celui-ci est minimisé afin d’accroitre la sensibilité, tout en conservant un écart suffisant pour éviter le contact entre le capteur et les aspérités du lit de poudres. Dans un mode de réalisation, l’entrefer peut varier entre 50 pm et 1 cm, préférentiellement 50 pm et 2 mm. Un système de détection de ces protubérances peut optionnellement être ajouté, comme un profilomètre optique ou un système d’analyse d’images.

- L’épaisseur de lit de poudres à sonder : l’épaisseur d’inspection est typiquement de quelques dizaines de pm à quelques mm. Ce faisant, la présente invention permet de qualifier les dernières mises en couche.

- La fréquence d’excitation CF : comme indiqué précédemment, en fonction de la nature du matériau à élaborer, de la granulométrie et de la morphologie des poudres, ainsi que de leur taux de compaction, les fréquences d’excitation peuvent varier entre 5 et 500 MHz, et préférentiellement entre 50 MHz et 200 MHz.

- La surface du bobinage CF doit être choisie en premier lieu en fonction de la taille maximale du défaut recherché dans le lit de poudres. La zone active du système de réception doit de manière préférentielle être inférieure ou égale à l’étendue de la zone d’anomalie. Pour les capteurs magnétorésistifs, la dimension de la zone active peut varier entre 50 pm et 2 mm. Pour les capteurs inductifs, la dimension de la zone active peut varier entre 0.7 mm et 5 cm, préférentiellement 1 mm et 5 mm. Il peut être intéressant d’utiliser des outils de simulation pour évaluer ensuite le comportement du capteur vis-à-vis du bruit d’entrefer et de la 5 profondeur à laquelle des courants de Foucault sont générés.

Claims

Revendications

1. Un procédé (500) de contrôle de la qualité d’un lit de poudres dans un dispositif de fabrication additive, le procédé comprenant les étapes de :

- mesurer (502) un signal électrique représentatif de valeurs de courants de Foucault, reçu en réponse à une excitation électromagnétique variable dans le temps produite par un émetteur sur une zone à inspecter d’une couche d’un lit de poudres;

- évaluer (504) la température de la couche du lit de poudres au voisinage de la zone inspectée ;

- corriger (506) les valeurs du signal électrique représentatif de valeurs de courants de Foucault représentées par ledit signal électrique mesuré, en fonction des valeurs de température obtenues par l’évaluation de la température ;

- comparer (508) les valeurs corrigées à des valeurs de référence ; et

- déterminer (510, 512) en fonction du résultat de la comparaison, la présence ou non de défaut dans ladite zone inspectée.
2. Le procédé selon la revendication 1 dans lequel :

- l’étape (502) de mesure d’un signal électrique consiste à calculer des valeurs d’amplitude et de phase du signal reçu; et

- l’étape (508) de comparaison consiste à comparer les valeurs corrigées d’amplitude et de phase à des valeurs d’amplitude et de phase de référence.
3. Le procédé selon la revendication 1 dans lequel :

- l’étape (502) de mesure d‘un signal électrique consiste à mesurer une tension induite aux bornes d’un capteur, et à calculer une valeur d’impédance du lit de poudres au-dessous de la zone inspectée ; et

- l’étape (508) de comparaison consiste à comparer la valeur corrigée d’impédance du lit de poudres à une valeur d’impédance de référence.
4. Le procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3 comprenant une étape initiale de calibration d’un appareil émetteur/récepteur à courants de Foucault permettant de réaliser l’étape de mesure, et dans lequel l’étape de corriger les valeurs de courants de Foucault représentées par ledit signal électrique mesuré, prend en compte des données de calibration.
5. Le procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 4 dans lequel l’étape d’évaluation de la température de la couche consiste soit à faire une mesure directe de la température, soit à estimer la température par simulation dont notamment par application d’une méthode des éléments finis.
6. Le procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 5 dans lequel l’étape de correction des valeurs de courants de Foucault représentées par ledit signal électrique mesuré, consiste à corriger lesdites valeurs par rapport à des abaques de référence donnant la variation de la conductivité électrique en fonction de la température pour des lits de poudre donnés.
7. Le procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 6 dans lequel l’étape de détermination de la présence d’au moins un défaut consiste à identifier des écarts de valeurs qui sont représentatifs d’hétérogénéités en surface ou d’oxydation du lit de poudres.
8. Le procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 7 dans lequel l’étape de mesure de signal électrique est faite sur une pluralité de zones du lit de poudres, à des fréquences d’excitation identiques ou différentes.
9. Le procédé selon la revendication 8 dans lequel l’étape de corriger les valeurs de courants de Foucault consiste à corriger une valeur moyenne ou une variance du signal.
10. Le procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 9 dans lequel les étapes de mesure du signal électrique et d’évaluation de température sont réalisées de manière séquentielle.
11. Le procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 10 comprenant séquentiellement une première étape d’évaluation de température, une étape de mesure du signal électrique, et une deuxième étape d’évaluation de température afin de prendre en compte toute variation de température entre le début et la fin de la mesure du signal électrique.
12. Le procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 9 dans lequel les étapes de mesure du signal électrique et d’évaluation de température sont réalisées de manière simultanée.
13. Un procédé de fabrication additive sur lit de poudres comprenant des étapes de contrôle de la qualité du lit de poudres conformes aux étapes du procédé de l’une quelconque des revendications 1 à

12.
14. Le procédé selon la revendication 13 dans lequel les étapes de contrôle de la qualité du lit de poudres sont réalisées simultanément soit lors d’une opération de mise en couche par un racleur, soit suite à une opération de fusion.
15. Un dispositif de contrôle de la qualité d’un lit de poudres pour un système de fabrication additive, le dispositif comprenant au moins un appareil émetteur/récepteur à courants de Foucault (112), un système d’évaluation de température (114), un système d’acquisition et de pilotage (116) permettant de recueillir et analyser des données relevées par l’appareil à courants de Foucault et par le système d’évaluation de température, le dispositif de contrôle de la qualité du lit de poudres comprenant de plus des moyens pour mettre en oeuvre le procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 12.
16. Le dispositif selon la revendication 15 dans lequel l’appareil à courants de Foucault (112) comprend au moins une bobine pour réaliser la fonction d’excitation et au moins un capteur pour réaliser la fonction de réception.
17. Le dispositif selon la revendication 16 dans lequel le capteur en réception est un capteur inductif ou magnétorésistif.
18. Le dispositif selon l’une quelconque des revendications 15 à 17 dans lequel l’appareil à courants de Foucault opère à une ou une pluralité de fréquences d’excitation comprise dans une plage allant de 5 MHz à 500 MHz.
19. Le dispositif selon l’une quelconque des revendications 15 à 18 dans lequel le système d’évaluation de température est une caméra infrarouge ou un pyromètre couplé à l’appareil à courants de Foucault.
20. Le dispositif selon l’une quelconque des revendications 15 à 19 dans lequel l’appareil à courants de Foucault est couplé à un dispenseur de poudre du dispositif de fabrication additive.

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21. Un système de fabrication additive comprenant un dispositif de contrôle de la qualité du lit de poudres selon l’une quelconque des revendications 15 à 20.