FR3102079A1

FR3102079A1 - Procédé de fabrication additive sur lits de poudre d’une pièce permettant une diminution, voire une suppression, des éléments de maintien habituellement nécessaires

Info

Publication number: FR3102079A1
Application number: FR1911807A
Authority: FR
Inventors: Benoît MARTY
Original assignee: Safran SA
Current assignee: Safran SA
Priority date: 2019-10-22
Filing date: 2019-10-22
Publication date: 2021-04-23
Anticipated expiration: 2039-10-22
Also published as: FR3102079B1

Abstract

L’invention concerne un procédé de fabrication d’une pièce par fusion sélective ou frittage sélectif de poudre à l’aide d’un faisceau de haute énergie, comprenant les étapes consistant successivement à : a) déposer une couche de poudre sur un support de construction ; b) fritter ou fusionner la couche de poudre à l'aide du faisceau de haute énergie selon un motif correspondant à une section de la pièce et/ou à une section d’au moins un élément sacrificiel de maintien de la pièce ; c) répéter les étapes a) et b) jusqu'à la réalisation complète de la pièce ; d) séparer la pièce du support de construction (8) et retirer l’éventuel au moins un élément sacrificiel. Le procédé est caractérisé en ce que la couche de poudre déposée à chaque étape a) a une densité relative comprise entre 45 et 60% et est obtenue à partir d’une poudre ayant une répartition granulométrique avec un D10 compris entre 2 et 12 µm et un D50 compris entre 8 et 28 µm. Figure pour l’abrégé : aucune

Description

Procédé de fabrication additive sur lits de poudre d’une pièce permettant une diminution, voire une suppression, des éléments de maintien habituellement nécessaires

La présente invention se rapporte au domaine de la fabrication additive sur lits de poudre d’une pièce.

Les techniques de fabrication de pièces par fusion sélective ou frittage sélectif d’un matériau sous forme de poudre permettent de réaliser facilement des pièces ayant une géométrie complexe.

Ces techniques consistent généralement en des procédés de fusion sélective ou frittage sélectif sur lits de poudre tels que décrits dans le document [1], qui comprennent habituellement une étape durant laquelle est déposée, sur un plateau de construction, une première couche de poudre d'un métal, d'un alliage métallique, d’une céramique ou d’un polymère d'épaisseur contrôlée, puis une étape consistant à chauffer avec un moyen de chauffage (par exemple un laser ou un faisceau d'électrons) une zone prédéfinie de la couche de poudre, et de procéder en répétant ces étapes pour chaque couche supplémentaire, jusqu'à l'obtention, tranche par tranche, de la pièce finale. On précise que chaque lit de poudre forme une couche de poudre ; on parle donc, ci-dessous, indifféremment de lit de poudre ou de couche de poudre.

Lors de la réalisation de pièces à géométrie complexe par fabrication additive sur lits de poudre, certaines parties de la pièce peuvent se retrouver momentanément en fort porte-à-faux, ou même sans aucun autre maintien que le volume de poudre non solidifiée situé au-dessous, et présentent donc un risque d'effondrement. C’est notamment le cas des parties de la pièce qui sont sensiblement parallèles au plateau de construction. Il est alors nécessaire de fabriquer des supports en même temps que la pièce, afin de soutenir les surfaces en devers, pour éviter que la matière des couches supérieures vienne s’effondrer lors de la fusion.

Ces supports doivent ensuite être enlevés une fois la pièce terminée, ce qui a pour conséquence un traitement de parachèvement complémentaire de la pièce, parfois long et coûteux.

Le paramètre utilisé pour caractériser la géométrie de la surface à supporter d’une pièce est l’angle θ de cette surface par rapport à la surface du plateau de construction. On regarde l’ensemble des points de la surface de la pièce à réaliser pour repérer les zones ayant un angle θ inférieur à un angle de référence θ_r _é _fet qui vont donc requérir la présence d’un support. Il est généralement admis que l’angle θ_r _é _fest égal à 45°.

Une alternative pour éviter d’avoir à supporter des arrêtes de pale (bord d’attaque ou bord de fuite) est décrite dans le document [2] et consiste à incliner la pièce à réaliser de façon à ce que les arrêtes des pales se trouvent à une inclinaison suffisante pour éviter la présence d’un support, en l’occurrence dans l’exemple présenté dans la figure 3, avec une inclinaison supérieure à 30° par rapport à la surface du plateau de construction. Toutefois cette solution ne permet ni de fabriquer une couronne complète monobloc, ni de fabriquer plusieurs couronnes directement intégrées dans un même carter.

Il existe donc un réel besoin pour un procédé de fabrication d’une pièce par fabrication additive, permettant de réduire, voire de supprimer, le nombre de supports nécessaires à la fabrication de la pièce finale.

Le présent exposé concerne un procédé de fabrication d’une pièce par fusion sélective ou frittage sélectif de poudre à l’aide d’un faisceau de haute énergie, comprenant les étapes consistant successivement à :
a) déposer une couche de poudre sur un support de construction ;
b) fritter ou fusionner la couche de poudre à l'aide du faisceau de haute énergie selon un motif correspondant à une section de la pièce et/ou à une section d’au moins un élément sacrificiel de maintien de la pièce ;
c) répéter les étapes a) et b) jusqu'à la réalisation complète de la pièce ;
d) séparer la pièce du support de construction et retirer l’éventuel au moins un élément sacrificiel ;
le procédé étant caractérisé en ce que la couche de poudre déposée à chaque étape a) a une densité relative comprise entre 45 et 60% et est obtenue à partir d’une poudre ayant une répartition granulométrique avec un D₁₀compris entre 2 et 12 µm et un D₅₀compris entre 8 et 28 µm.

Le ou les éléments sacrificiels de maintien de la pièce sont configurés pour supporter et maintenir la pièce.

De manière connue en fabrication additive, le faisceau de haute énergie peut être un faisceau laser ou un faisceau d’électrons.

La poudre peut être métallique, céramique ou polymère (par exemple PEEK). On précise que dans le cadre de la présente demande, le terme « métallique » inclut les métaux purs et les alliages.

On précise également que, dans le présent exposé, l'expression « compris entre ... et ... » doit être comprise comme incluant les bornes.

On rappelle également que le D₅ ₀correspond au diamètre pour lequel 50% des particules d’une poudre, en nombre, sont plus petits (il représente la taille moyenne des particules) ; le D₁ ₀correspond au diamètre pour lequel 10% des particules en nombre sont plus petits.

De préférence, une interface entre la pièce et au moins un élément sacrificiel forme un angle par rapport à la surface du support de construction qui est inférieur ou égal à 20°, de préférence inférieur ou égal à 10°.

Selon une variante, à l’étape a), la couche de poudre est déposée en utilisant un moyen d’étalement choisi parmi un racleur (par exemple un racleur rigide (par exemple un racleur métallique), un racleur souple (par exemple un racleur en caoutchouc ou en polymère), un racleur à poils (par exemple du type brosse avec des poils)) ou un rouleau (du type cylindre de révolution).

L’invention concerne également une turbomachine comprenant une pièce obtenue par la mise en œuvre du procédé de fabrication décrit ci-dessus.

La solution technique employée dans le cadre de la présente invention pour diminuer, voire supprimer, le recours à des éléments sacrificiels de maintien de la pièce lors de sa fabrication consiste à réaliser un lit de poudre qui possède des propriétés adaptées pour limiter l’effondrement des couches supérieures. Pour ce faire, on dispose un lit de poudre ayant une densité relative (d_r) comprise entre 45% et 60%. Pour avoir un tel lit, chaque couche déposée doit avoir une densité relative comprise dans cette gamme. Dans le cadre de la présente invention, la densité relative (d_r) d’un lit de poudre ou d’une couche d’un matériau donné correspond à la densité du lit ou de la couche de poudre du matériau (d_l) rapportée à la densité de ce matériau plein (sans porosité) (d_m) sur un même volume du lit ou de la couche (soit d_r=d_l/d_m).

Plus précisément, l’inventeur a constaté qu’un lit de poudre de densité relative d_rcomprise entre 45% et 60% permettait de réduire la valeur de l’angle de référence θ_réfà une valeur plus faible que les 45° habituels, en l’occurrence un angle de référence θ_réfcompris entre 10° et 20°, ce qui conduit mécaniquement à réduire partiellement ou totalement, en fonction de la géométrie de la pièce à réaliser, le nombre d’éléments sacrificiels de maintien nécessaires.

Pour obtenir un lit de poudre ou une couche de poudre ayant une densité relative comprise dans cette gamme de valeurs, il faut utiliser une poudre ayant une répartition granulométrique particulière. On peut également jouer sur la technique employée pour déposer la couche de poudre à l’étape a), notamment en choisissant le type de moyen d’étalement (racleur rigide, racleur souple, racleur à poil, rouleau, etc.).

La réduction, voire la suppression, du nombre de supports nécessaire à la fabrication d’une pièce permet de fabriquer une pièce plus complexe, comme par exemple un carter comprenant plusieurs étages de redresseurs intégrés.

L’invention sera mieux comprise et d’autres détails, caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description faite à titre d’exemple non limitatif en référence aux dessins annexés, qui illustrent :

une vue d'ensemble d'un dispositif de fabrication additive par fusion sélective de lits de poudre ;

une vue en coupe d’une pièce sur un plateau de construction ;

une vue en coupe de cette même pièce sur un plateau de construction avec des éléments sacrificiels de maintien ;

une vue en perspective et sur le dessus d’un redresseur de flux de compresseur haute pression ;

une vue en perspective et sur le côté du redresseur représenté à la figure 3 ;

une vue de du redresseur de la figure 4, montrant un élément sacrificiel de maintien, placé sous une des pales du redresseur ;

une vue en coupe du bac de construction du dispositif de fabrication de la figure 1, comportant trois boîtes pour la détermination d’une densité relative ;

une vue en coupe des trois boîtes remplies de poudre ;

une vue en coupe des trois boîtes vides et de leurs contenus en poudre.

EXPOSÉ DÉTAILLÉ D ’UN MODE DE RÉALISATION PARTICULIER

Dans la figure 1 est représenté un dispositif classique de fabrication d’une pièce par fusion sélective ou frittage sélectif de lits de poudre au moyen d'un faisceau laser. On peut bien sûr utiliser un autre type de faisceau à la place du faisceau laser, du moment que le faisceau choisi est suffisamment énergétique pour fondre les particules de poudre. Il peut notamment s’agir d’un faisceau d’électrons.

De façon connue en soi, le dispositif 1 comporte un bac d’alimentation 2 en poudre 5, un bac de construction 3, dans lequel va être formé la pièce, et un troisième bac, qui peut être un bac de récupération 4 du surplus de poudre ou un deuxième bac d’alimentation. Le fond de chaque bac est formé d’un plateau qui est mobile en translation sur l’axe vertical 6 des bacs. L’actionnement du plateau 7 du bac d’alimentation permet d’amener de la poudre dans le bac de construction ; le plateau de construction 8 du bac de construction, en descendant, permet la création des couches 9 successives de la pièce.

Le dispositif 1 comporte également un moyen d'étalement 10, du type rouleau (comme représenté dans la figure 1) ou racleur, qui permet de pousser la poudre 5 du bac d’alimentation 2 dans le bac de construction 3 et d’étaler cette poudre, dans le bac d’alimentation, de manière à former une couche de poudre 11 d’épaisseur déterminée. Pour ce faire, le moyen d’étalement 10 se déplace le long d’un plan de balayage A horizontal selon une direction de déplacement allant du bac d’alimentation au bac de surplus. Le surplus de poudre peut être récupéré dans le bac de récupération 4. Le moyen d’étalement 10 peut racler et éventuellement légèrement compacter la poudre dans le bac de construction en exécutant un simple mouvement aller ou bien plusieurs mouvements aller et retour.

Le dispositif comprend en outre un moyen de chauffage 12 configuré pour faire fondre ou pour fritter au moins une partie d'une couche de poudre 11 déposée sur le plateau de construction 8, de manière à obtenir, après solidification, une couche 9 de la pièce à fabriquer. Le moyen de chauffage 12 peut par exemple être un laser 13 et comprendre un ou plusieurs miroirs 14 permettant d’envoyer le faisceau laser vers les zones de la couche de poudre à fusionner ou à fritter. Le bac de construction 8 va ainsi contenir, après le balayage de la couche de poudre par un faisceau énergétique, à la fois la couche de matière solidifiée, entourée de la poudre non fusionnée.

Après fusion ou frittage d’une partie de la couche de poudre, on abaisse le plateau de construction d'une hauteur correspondant à l'épaisseur de la seconde couche de poudre (20 à 100μm et en général de 30 à 50μm) et on monte le plateau du bac d’alimentation. On dépose ensuite une deuxième couche de poudre sur la première couche et on fusionne ou on fritte une partie de cette seconde couche. Ces étapes sont répétées jusqu’à la formation complète de la pièce.

Les figures 2a et 2b montrent des vues en coupe d’une pièce 15 à fabriquer sur un support de construction (qui correspond au plateau de construction 8), par un procédé de fabrication de pièce par fabrication additive. La direction de construction, correspondant à l'axe Z, est perpendiculaire au plan de construction, correspondant à la surface supérieure 8a du plateau de construction 8. Une surface 15a de la pièce 15 présente un angle de construction θ par rapport à la surface 8a du plateau de construction (figure 2a). Lorsque cet angle de construction θ est inférieur à 45°, la surface 15a encourt le risque de s'effondrer au cours de la fabrication. Il est alors préférable de disposer des éléments sacrificiels de maintien 16 au niveau de la surface 15a de la pièce 15 (figure 2b), afin de maintenir cette surface 15a au cours de la fabrication de la pièce. Il est à noter que ces éléments de maintien 16 sont dits sacrificiels car ils sont destinés à être retirés, une fois la pièce terminée.

La pièce à fabriquer peut par exemple être un redresseur de flux de compresseur haute pression, tel que représenté dans la figure 3.

La figure 4 représente la pièce de la figure 3, selon une vue de côté. Ici, on constate que la surface 15a forme un angle θ avec l’horizontal qui est de 23° et nécessiterait, lors de la fabrication de la pièce avec une poudre quelconque, la présence d’un élément sacrificiel de maintien 16 (qui est représenté par la forme en transparence dans la figure 5). Selon l’invention, cet angle θ étant supérieur à 20°, la présence de cet élément de maintien n’est pas nécessaire.

Dans la présente invention, on utilise une poudre ayant une répartition granulométrique particulière, à savoir un D₁₀compris entre 2 et 12 µm et un D₅₀compris entre 8 et 28µm, et cette poudre est déposée de sorte à obtenir une densité relative comprise entre 45 et 60%. La couche de poudre peut être déposée en utilisant un racleur rigide, un racleur souple, un racleur à poil ou encore un rouleau. Comme décrit plus haut, le racleur peut passer une ou plusieurs fois sur la couche afin de la compacter.

Pour déterminer la densité relative d’un lit de poudre, on réalise des boîtes 17 de différents volumes sur le plateau de construction 8 (figure 6a), ces boîtes ayant chacune la même hauteur qui correspond à la hauteur du lit de poudre 11, et on remplit ces boîtes de la poudre que l’on souhaite tester, par la même technique de dépôt que celle que l’on souhaite utiliser pour la fabrication de la pièce, donc à l’aide du même moyen d’étalement (racleur, rouleau, etc.) et avec le même nombre de passage du moyen d’étalement sur la couche de poudre. On enlève ensuite la poudre située entre les boîtes, par exemple par aspiration (figure 6b). Enfin, on sépare la poudre des boîtes (figure 6c). La mesure du volume des boites (v1, v2, v3, etc.) est faite par remplissage de ces boîtes par un liquide de volume connu ou de masse volumique connue ; la mesure de la masse de poudre (m1, m2, m3, etc.) est faite par pesée. La mesure de la densité relative est égale à la somme des masses divisées par la somme des volumes.

REFERENCES CITEES

[1] FR 3 030 323 A1

[2] FR 3 046 556 A1

Claims

Procédé de fabrication d’une pièce (15) par fusion sélective ou frittage sélectif de poudre (5) à l’aide d’un faisceau de haute énergie, comprenant les étapes consistant successivement à :
a) déposer une couche de poudre (11) sur un support de construction (8) ;
b) fritter ou fusionner la couche de poudre à l'aide du faisceau de haute énergie selon un motif correspondant à une section (9) de la pièce et/ou à une section d’au moins un élément sacrificiel de maintien (16) de la pièce ;
c) répéter les étapes a) et b) jusqu'à la réalisation complète de la pièce ;
d) séparer la pièce (15) du support de construction (8) et retirer l’éventuel au moins un élément sacrificiel (16) ;
le procédé étant caractérisé en ce que la couche de poudre (11) déposée à chaque étape a) a une densité relative comprise entre 45 et 60% et est obtenue à partir d’une poudre ayant une répartition granulométrique avec un D₁₀compris entre 2 et 12 µm et un D₅₀compris entre 8 et 28 µm.
Procédé selon la revendication 1, dans lequel une interface (15a) entre la pièce (15) et au moins un élément sacrificiel (16) forme un angle par rapport à la surface du support de construction (8) qui est inférieur ou égal à 20°, de préférence inférieur ou égal à 10°.
Turbomachine comprenant une pièce obtenue par la mise en œuvre du procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2.