FR3111575A1

FR3111575A1 - Procédé de fabrication additive sur lit de poudre

Info

Publication number: FR3111575A1
Application number: FR2006562A
Authority: FR
Inventors: Jean-Louis SISTACH Hugo
Original assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2020-06-23
Filing date: 2020-06-23
Publication date: 2021-12-24
Also published as: CN115996807A; US20230249256A1; EP4168200A1; WO2021260323A1; CN115996807B

Abstract

Le procédé de fabrication comprend les étapes suivantes :- extraire un sous-lot (18) d’un lot (16) de poudre, le lot ayant un taux X0 d’un composé prédéterminé,- fabriquer des pièces (22) par fabrication additive sur lit de poudre jusqu’à utiliser l’intégralité du sous-lot (18); puis- effectuer un nombre nmax de fois le cycle suivant :- recycler la poudre et poursuivre la fabrication jusqu’à utiliser l’intégralité de la poudre recyclée ;- déterminer :une surface de contact Sn entre la poudre et une matière fusionnée dans les pièces (22), n désignant le numéro du cycle, etune masse Mn de poudre cumulée utilisée depuis le début du procédé, et- mesurer un taux Xnmax d’un composé prédéterminé dans au moins une des pièces (22) ou une éprouvette (24) fabriquée lors du dernier cycle, puis- déterminer une grandeur R telle que : - effectuer au moins une fois le cycle suivant :- recycler la poudre et poursuivre la fabrication jusqu’à utiliser au moins une foisl’intégralité de la poudre recyclée, puis- déterminer la surface de contact Sn, et la masse Mn de poudre cumulée, et- calculer, au moyen de Sn, Mn et R, un taux Xn du composé dans une des pièces (22) fabriquées lors du cycle. Figure pour l’abrégé : Fig. 8

Description

Procédé de fabrication additive sur lit de poudre

DOMAINE DE L’INVENTION

L'invention concerne la fabrication additive de pièces, par exemple des pièces aéronautiques, par fusion sur lit de poudre métallique.

ETAT DE LA TECHNIQUE

La fusion laser sur lit de poudre est un procédé de fabrication additive métallique qui consiste à créer une pièce couche par couche grâce à la fusion de particules de poudre via un faisceau laser. Cette technologie est également connue sous le nom de Selective Laser Melting (SLM). Elle rend possible la fabrication de pièces aux géométries irréalisables avec les procédés conventionnels. On peut remplacer le faisceau laser par un faisceau d’électrons.

Le procédé est mis en œuvre dans une enceinte sous gaz neutre. Il peut être décrit en quatre étapes :
- une fois la poudre stockée dans un réservoir d’approvisionnement, un piston élève le réservoir de la hauteur d’une épaisseur de couche ;
- un organe de mise en couche étale une couche de poudre de cette épaisseur dans un bac d’impression. C’est le lit de poudre ;
- si la mise en couche est valide, un laser passe à travers la couche et donne naissance à une première section de l’objet par création de micro-cordons les uns à côté des autres issus de la fusion des particules de poudre se trouvant sur sa trajectoire. Si la couche formée n’est pas uniforme, une deuxième mise en couche est effectuée pour combler les manques avant le passage du laser ;
- enfin, le bac d’impression s’abaisse légèrement (de l’épaisseur d’une couche de poudre) et l’opération recommence. De cette manière, les particules vont fusionner strate par strate jusqu’à l’obtention de la pièce finie.

Une fois la pièce finie, la poudre qui a été installée mais qui n’a pas servi à réaliser la pièce est récupérée. Elle peut être ensuite recyclée pour la fabrication d’une nouvelle pièce, et cela plusieurs fois de suite. On réalise ainsi d’importantes économies de poudre.

On observe toutefois que la composition chimique des pièces fabriquées évolue au fur et à mesure du recyclage de la poudre. Il s’agit en particulier de leur taux en oxygène, en azote et en hydrogène.

Or, la teneur de ces éléments dans les pièces a un impact sur les propriétés du matériau, notamment les propriétés mécaniques de traction et de fatigue. Il est donc important de connaitre, voire de maitriser, cette teneur pour assurer la conformité des pièces avec la composition de base du matériau et ainsi leur tenue en fonctionnement.

A cette fin, on peut analyser la composition chimique globale élémentaire d’une partie d’une pièce que l’on peut détruire ou d’une éprouvette attenante de composition représentative, pour vérifier sa conformité vis-à-vis de la composition de base. On réalise donc une analyse chimique globale à chaque fabrication. Mais cela engendre un délai important qui bloque la livraison des pièces. Le coût est élevé et souvent non compatible avec la rentabilité attendue. Et il s’agit ou bien de détruire une pièce pour l’analyse, ou bien de fabriquer une éprouvette, ce qui engendre un temps de fusion supplémentaire et consomme de la poudre, donc augmente le coût. Il s’agit donc d’une analyse longue et couteuse.

On peut certes définir un nombre de recyclages maximal, c’est-à-dire un nombre limite de réutilisations de la poudre non fusionnée, assurant de ne pas avoir une modification de la composition chimique si importante qu’elle devienne non conforme. Cette solution peut être mise en œuvre après avoir procédé à une analyse chimique sur plusieurs recyclages pour vérifier que l’on ne sort pas des bornes de composition de base du matériau associé à un type de machine et à une production donnée figée. Mais elle est onéreuse. Sa mise en œuvre dépend à chaque fois de l’installation de fabrication et des pièces réalisées. De plus, une fois atteint le nombre de recyclage maximal de la poudre, cette dernière doit être mise au rebut intégralement, ce qui engendre là encore une perte de matériau. Or, le nombre maximal de recyclage est en général peu élevé, par exemple égal à 5. Cette solution conduit donc à mettre au rebut de la poudre qui serait pourtant potentiellement acceptable pour une nouvelle fabrication de pièces moins exigeantes. En outre, les analyses de composition chimique à effectuer demeurent nombreuses et donc au total onéreuses.

Un but de l’invention est de favoriser la conformité des pièces fabriquées avec les propriétés attendues à leur sujet au moyen d’une solution peu onéreuse et économe en poudre.

A cet effet, on prévoit selon l’invention un procédé de fabrication comprenant les étapes suivantes :
- extraire un sous-lot d’un lot de poudre, le lot ayant un taux X₀d’un composé prédéterminé,
- au moyen du sous-lot, fabriquer des pièces par fabrication additive sur lit de poudre jusqu’à utiliser l’intégralité du sous-lot ; puis
- effectuer un nombre n_maxde fois le cycle suivant :
- recycler la poudre provenant de la fabrication et poursuivre la fabrication jusqu’à utiliser l’intégralité de la poudre recyclée ;
- déterminer :
une surface de contact S_nentre la poudre et une matière fusionnée dans les pièces, cumulée depuis le début du procédé,ndésignant un numéro du cycle, et
une masse M_nde poudre utilisée cumulée depuis le début du procédé, la poudre recyclée à chaque cycle comptant pour de la masse supplémentaire, et
- mesurer un taux X_nmaxdu composé dans au moins une des pièces fabriquées lors du dernier cycle ou une éprouvette fabriquée lors du dernier cycle, puis
- calculer une grandeurRtelle que :

- effectuer au moins une fois le cycle suivant :
- recycler la poudre et poursuivre la fabrication jusqu’à utiliser au moins une fois l’intégralité de la poudre recyclée, puis
- déterminer la surface de contact S_net la masse M_nde poudre, et
- calculer, au moyen de S_n, M_netR, un taux X_ndu composé dans une des pièces fabriquées lors du cycle.

L’invention permet donc d’estimer le taux X_ndans les pièces au fur et à mesure des cycles de fabrication.

Le principe théorique du procédé est que, lors de la fusion de la pièce, dans une couche donnée, la poudre située à proximité du bain de fusion voit sa température augmenter. Cette augmentation favorise l’évolution dans la poudre du taux de certains éléments, notamment l’oxygène, l’azote et l’hydrogène.

Une fois la fabrication achevée, le recyclage (par aspiration, tamisage et mélange) homogénéise la répartition de la composition de la poudre en diluant dans le reste de la poudre la poudre qui était proche des bains de fusion et dont la composition a évolué. Cela uniformise l’évolution globale de la composition de la poudre.

Il est alors possible de relier expérimentalement l’évolution de la composition à la quantité de poudre qui est chauffée par le bain de fusion. Cette quantité peut être reliée à la surface de contact entre la poudre et la pièce fusionnée à chaque couche (soit la surface de la pièce, hors surface supérieure et surface inférieure). Une loi est proposée pour relier ces grandeurs et prédire la composition chimique après chaque fabrication et après plusieurs fabrications.

La méthodologie proposée associée à la loi permet d’avoir un suivi prédictif de la composition chimique via la définition des paramètres de la loi, la connaissance de la composition initiale de la poudre, la stabilité du procédé de fabrication et le recueil de quelques données simples en fabrication.

Le procédé de l’invention permet un suivi de la composition chimique des pièces fabriquées qui est rapide, voire immédiat, à faible coût, non destructif, sans risque sur la conformité des pièces et réutilisant la poudre autant que possible pour limiter la quantité mise au rebut, tout en facilitant la gestion de la poudre, par exemple à l’occasion de mélanges de poudres lors de recyclages.

On peut prévoir que le lot est neuf au début de la mise en œuvre du procédé.

Le procédé est notamment applicable lorsque le composé est de l’oxygène, de l’hydrogène ou de l’azote, mais il est possible de le mettre en œuvre pour d’autres composés.

On peut prévoir que le procédé comprend ensuite les étapes suivantes :
- déterminer si le taux X_nremplit une condition prédéterminée, et
- déterminer une suite à donner au procédé selon que le taux remplit ou pas la condition.

Dans un mode de réalisation, le procédé comprend les étapes suivantes :
- extraire un autre sous-lot du lot de poudre ;
- réaliser un mélange de l’autre sous-lot avec la poudre provenant de la fabrication ; et
- reprendre la fabrication avec le mélange.

Ainsi l’opération permet de « rafraichir » la poudre issue de la fabrication, dans laquelle le taux du composé a varié, avec de la poudre issue du lot. A l’issue du mélange, le taux du mélange est égal à la somme pondérée des taux.

En variante, le rafraichissement de la poudre peut se faire avec de la poudre qui n’est pas neuve et qui a déjà elle aussi servi à de la fabrication additive, sous réserve de disposer d’une bonne estimation de son taux. En effet, lors d’un tel mélange de sous-lots de poudre ayant eu des utilisations différentes, issus du même lot initial, le taux final est lui aussi la moyenne des taux de la composition chimique des deux sous-lots, pondérée par la masse.

On peut donc effectuer l’ajout de poudre peu recyclée, voire neuve, dans un sous lot ayant vu déjà plusieurs recyclages.

On peut prévoir qu’on effectue les trois étapes précitées associées au mélange lorsque la condition n’est pas remplie.

Ainsi, on effectue le mélange, c’est-à-dire qu’on rafraichit la poudre, quand on a déterminé qu’elle nécessitait ce rafraichissement.

En variante, on peut prévoir qu’on effectue ces trois étapes sans déterminer au préalable si le taux X_nremplit une condition prédéterminée.

Ainsi cette fois, on effectue le rafraichissement de toute façon. On peut prévoir par exemple qu’on effectue le rafraîchissement de façon systématique dès que toute la poudre a été utilisée lors de la fabrication, par exemple en vue de conserver un taux constant pour le composé.

Dans un mode de réalisation :
- lors de certains au moins des cycles, on mesure un taux X_n,mesdu composé dans au moins une des pièces fabriquées lors du cycle, dans une éprouvette fabriquée lors du cycle ou dans la poudre utilisée lors du cycle,
- on détermine un écart type des taux X_n,mes, et
- lors de certains au moins des cycles postérieurs à l’étape de calcul deR, on détermine si le taux X_ncalculé vérifie une condition prédéterminée relative à l’écart type.

Ces étapes forment un test qui permet de vérifier si le taux X_nestimé demeure crédible.

Par exemple, on détermine si :
|X_n- X_n,moy| =< 2 x σ

où :
- X_n,moydésigne une moyenne des taux X_nde plusieurs des cycles, et
- σ est l’écart type des taux X_n,mes.

On prévoit également selon l’invention une installation de fabrication additive sur lit de poudre comprenant :
- des moyens de fabrication additive sur lit de poudre et
- un organe de commande configuré pour commander l’exécution du procédé selon l’invention.

On prévoit aussi selon l’invention un programme d’ordinateur comprenant des instructions de code agencées pour commander l’exécution du procédé de l’invention lorsqu’il est utilisé sur un ordinateur, un support d’enregistrement de données comprenant un tel programme sous forme enregistrée, et un procédé de mise à disposition d’un tel programme sur un réseau de télécommunication en vue de son téléchargement ou de son exécution à distance.

DESCRIPTION DES FIGURES

Nous allons maintenant présenter un mode de réalisation de l'invention à titre d'exemple non-limitatif à l'appui des dessins sur lesquels :

la figure 1 est un schéma de principe de l’augmentation de la température de la poudre et de la diffusion d’oxygène dans la poudre ;

la figure 2 est un graphique de l’évolution du taux d’oxygène en fonction du nombre de recyclage ;

la figure 3 est un schéma de principe de l’augmentation du taux d’oxygène dans la poudre après une fabrication ;

la figure 4 est un schéma de principe de la composition chimique en oxygène d’un échantillon du lot de poudre après recyclage ;

la figure 5 est un schéma représentatif des grandeurs de la loi de recyclage ;

la figure 6 est un schéma représentatif des zones de poudre captant de l’oxygène et des zones ne captant pas d’oxygène dans la loi de recyclage ;

la figure 7 est un schéma représentatif des grandeurs Sn, Pn et An ; et

la figure 8 est un schéma montrant une installation conforme à l’invention.

Nous allons d’abord présenter les fondements théoriques de l’invention puis le déroulement de la mise en œuvre du procédé de l’invention.

On propose les définitions suivantes :
- cycle de fabrication ou de construction: ensemble des étapes de réalisation d’une pièce ou d’un article, débutant avec l’étalement de la première couche et finissant par la fusion de la dernière couche ;
- campagne de fabrications : ensemble de cycles de fabrication consistant à fabriquer des pièces ou articles en utilisant une fois un même sous-lot de poudre ; Il s’agit aussi d’un cycle, regroupant donc plusieurs cycles de fabrication.
- recyclage : opération consistant à décharger la poudre de l’installation, à la re-tamiser, éventuellement à l’étuver, la reconditionner, puis à la réutiliser.

On suppose ici que la fabrication se fait au moyen d’un rayon laser mais la présente description vaut aussi pour un faisceau d’électrons.

En référence à la figure 1, le procédé met en œuvre une poudre d’alliage métallique connue en elle-même. Les grains 2 de cette poudre comprennent, en plus d’un ou plusieurs métaux, des éléments tels que de l’oxygène, de l’azote et de l’hydrogène.

Lors de la fabrication additive d’une pièce 22 par fusion sur lit de poudre, des couches de poudre métallique N, N-1, N-2, N-3, N-4, N-5 sont superposées les unes sur les autres. Après la mise en place de chaque couche, le rayon laser traverse une ou plusieurs des couches de poudre pour effectuer la fusion de certain des grains de poudre afin de construire la pièce 22. La partie 4 ainsi fusionnée est illustrée en partie droite de la figure 1. Plus précisément, lors du traitement de chaque couche par le laser, ce sont plusieurs couches adjacentes qui sont simultanément refusionnées. Sur la figure, on a ainsi illustré que les cinq couches supérieures été refusionnées au contraire de la couche la plus basse, N-5, qui ne l’est pas.

En partie gauche se trouvent les grains 2 de poudre non fusionnés. Certain de ces grains peuvent cependant être échauffés, en particulier ceux qui se trouvent à proximité directe des grains fusionnés. La figure présente ainsi différents niveaux d’échauffement des grains 2a, 2b, 2c selon leur proximité décroissante avec la partie fusionnée 4, avec des températures indiquées comme élevée, moyenne et basse respectivement, sans dépasser la température de fusion toutefois.

Or cet échauffement amène la modification de certains éléments des grains, notamment l’oxygène, l’azote et l’hydrogène. Cela se produit par apport dans la poudre d’éléments supplémentaires provenant de l’atmosphère de l’enceinte de fabrication. Cet apport a été illustré sur la figure par les flèches 6. Cette atmosphère comprend en effet notamment de l’air et de l’humidité qui pénètrent entre les grains de poudre 2 et conduit à la modification précitée à l’occasion de l’échauffement.

Cette modification est visible lors des recyclages successifs de la poudre et peut amener à modifier la composition chimique de la matière fusionnée (et donc des pièces) au point de les rendre non conformes après plusieurs recyclages de la poudre. Cela peut conduire à des pièces dont le matériau a des propriétés non-conformes notamment en traction et en fatigue, et qui doivent donc être mises au rebut.

La figure 2 illustre ainsi l’évolution du taux en oxygène dans les pièces en fonction du nombre de recyclages de la poudre. On voit dans cet exemple qu’on passe d’un taux en oxygène initial de 0,015 % dans les pièces fabriquées avec de la poudre neuve à un taux qui peut monter jusqu’à plus de 0,022 % après 10 recyclages. Dans la présente description, on s’intéresse à l’oxygène, mais l’invention est également applicable à l’azote, l’hydrogène ou tout autre élément modifié durant le recyclage.

L’invention vise à suivre l’évolution de la composition chimique des pièces pour assurer leur conformité avec les propriétés attendues.

On adopte ici une méthodologie permettant un suivi de la composition chimique de la poudre et des pièces qui soit rapide, voire immédiat, à faible coût, non destructif, peu onéreux à développer, qui assure sans risque la conformité des pièces, qui utilise la poudre autant que possible en fabrication, limite la quantité mise au rebut et facilite la gestion de la poudre en permettant par exemple le mélange de poudres lors de recyclages.

Comme dit précédemment, l’étude du procédé général de fusion sur lit de poudre a permis de mettre en avant des paramètres influant sur l’évolution de la composition chimique des éléments de la poudre durant les recyclages successifs. On a pu déterminer que le mécanisme associé à cette évolution est la captation ou l’évaporation d’éléments à cause du chauffage local de la poudre lors de la fabrication.

A partir de cette étude, on arrive à déterminer qu’il y a une évolution locale de la composition de la poudre non fusionnée à chaque fabrication en fonction de la distance à la zone fusionnée, tel que présenté à la figure 3 pour l’oxygène. Cette figure illustre en effet le principe de l’augmentation du taux d’oxygène dans la poudre après une fabrication.

On observe ainsi que les grains 2a qui se trouvent dans la zone la plus proche de la partie fusionnée 4 ont un taux d’oxygène relativement élevé. Ce taux baisse dans la zone suivante, c’est-à-dire plus à gauche sur la figure, pour passer à un taux moyen en comparaison dans les grains 2b. Dans les autres grains 2c qui se trouvent le plus à gauche, le taux d’oxygène est proche de celui de la poudre avant ce recyclage.

A partir d’une telle situation, à l’issue de la fabrication de la pièce, la poudre non fusionnée est récupérée et mélangée selon des procédures validées qui assurent un mélange homogène. Les grains 2a, 2b, 2c de différentes compositions chimiques sont donc mélangés entre eux pour donner la configuration de la figure 4 qui illustre la répartition des grains et leurs taux d’oxygène dans un échantillon de poudre lors du recyclage.

C’est ce mélange qui est utilisé à l’occasion de la fabrication suivante d’une nouvelle pièce. Lors de cette fabrication, ce mélange est fusionné sur les zones de la pièce atteintes par le rayon laser. La fusion des grains aboutit à une pièce dont le taux en oxygène est égal à la moyenne des taux en oxygène des grains. Il se produit donc une homogénéisation dans le bain de fusion qui donne une composition chimique équivalente à la composition moyenne pondérée par la masse des grains de poudre fusionnés.

L’installation de fabrication 10 que l’on décrira plus en détails plus loin comprend un plateau de fabrication sur lequel sont déposées les couches de poudre pour la fabrication de chaque pièce. Elle comprend un bac de production dans lequel tombe la poudre et les projections lors de cette fabrication. Elle comprend un bac de récupération dans lequel sont déversés, après chaque fabrication d’une pièce, la poudre non fusionnée et les projections. Elle comprend enfin un tamis à travers lequel on fait passer le contenu du bac de récupération pour son recyclage le cas échéant.

On pose les références de traçabilité suivantes :
-C _n : Référence du numéro de campagne de fabricationsnqui s’incrémente à partir de la première utilisation de la poudre ;
-C’ _n,y : Référence de cycle de fabrication ou de construction ; et
-R _n : Référence du nombrende recyclages de la poudre ;

On pose les variables densuivantes :
-H _n : Hauteur cumulée (en m) des cycles de construction d’une campagne de fabricationsn;

-P _n : Périmètre (en m) de contact entre la poudre et la matière fusionnée des cycles de construction d’une campagne de fabricationsnmoyenné par la hauteur ;

-S _n : Surface (en m²) de contact entre la poudre et la matière fusionnée, cumulée sur les cycles de construction d’une campagne de fabricationsn;

-VM _n : Volume cumulé (en m³) des pièces fusionnées (construites) d’une campagne de fabricationsn;
-VD _n : Volume cumulé (en m³) de poudre déposée sur le plateau de fabrication ou dans le bac de récupération d’une campagne de fabricationsn;

-A _n : Aire (section, en m²) dans un plan (en général horizontal, XY) perpendiculaire au sens de construction des pièces produites lors des cycles de construction d’une campagne de fabricationsn, moyennée par la hauteur ;

-X _n : Taux d’oxygène global moyen (en % massique) de la poudre récupérée à la fin d’une campagne de fabricationsn, après recyclage et mélange ;

- ΔX _0->n : Augmentation du taux d’oxygène (en % massique) entre la poudre approvisionnée et la fin de la campagne de fabricationsn(recyclagen). X₀correspond à un recyclage 0, c’est-à-dire à la situation de départ sans recyclage ;

- ΔX _n-1->n : Augmentation du taux d’oxygène (en % massique) entre la poudre du recyclagen-1et celle du recyclagen;

-M _n : Masse de poudre cumulée (en g) des cycles de construction d’une campagne de fabricationsnrécupérée après recyclage, incluant la poudre du bac de production et du bac de récupération ;

-MM _n : Masse (en g) des pièces fusionnées (matière fusionnée) d’une campagne de fabricationsn;

-MD _n : Masse (en g) de poudre déposée sur le plateau de fabrication ou dans le bac de récupération d’une campagne de fabricationsn;

-MP _n : Masse (en g) de poudre et de projections qui sont récupérées par le tamis lors du recyclage ;

-MC _n : Masse de poudre (en g) récupérée à la fin d’une campagne de fabricationsnaprès recyclage, qui a été chauffée lors de la fusion de la pièce et qui a capté de l’oxygène ;

-MF _n : Masse de poudre (en g) récupérée à la fin d’une campagne de fabricationsnaprès recyclage, qui n’a pas été chauffée lors de la fusion de la pièce et qui n’a pas capté d’oxygène ;

-XC _n : Taux d’oxygène (en % massique) de la poudre récupérée à la fin d’une campagne de fabricationsnaprès recyclage, qui a été chauffée lors de la fusion de la pièce et qui a capté de l’oxygène ;

-XF _n : Taux d’oxygène (en % massique) de la poudre récupérée à la fin d’une campagne de fabricationsnaprès recyclage, qui n’a pas été chauffée lors de la fusion de la pièce et qui n’a pas capté d’oxygène ; et

-TR _n : Taux de régénération (en %) d’une campagne de fabricationsn(si ce taux est figé sur l’ensemble de la campagne).

On pose les constantes suivantes :

- ΔX _machine : Augmentation standard en oxygène (constante, en % massique) par unité de poudre chauffée pour une machine spécifique associée à un ensemble de paramètres et une version du programme de commande de la machine ;

-AP: Aire (section, en m²) du plateau de fabrication ;

-PP: Pourcentage de poudre et de projections moyen par volume de pièce fusionné qui seront récupérées par le tamis lors du recyclage ;

-e: Épaisseur (en m) de poudre à partir de la surface de la pièce fusionnée qui est chauffée et qui capte de l’oxygène ;

- ρ_p: Densité tassée (en g/m³) de la poudre déposée sur le plateau de fabrication ; et

- ρ_m: Masse volumique (en g/m³) de la matière fusionnée.

Les schémas suivants permettent de mieux se représenter les différentes valeurs que l’on pose pour exprimer la loi sur le recyclage. Ainsi :

- la figure 5 est un schéma représentatif des grandeurs de la loi de recyclage ;

- la figure 6 est un schéma représentatif des zones de poudre respectives captant de l’oxygène et ne captant pas d’oxygène dans la loi de recyclage ; et

- la figure 7 est un schéma représentatif des grandeurs S_n, P_net A_n.

Les grandeurs précitées ont les relations suivantes.

La surface de contact dépend du périmètre de contact moyenné par la hauteur et de la hauteur de construction :

S_n= P_n* H_n

Le volume de pièce fusionnée dépend de l’aire moyennée par la hauteur et de la hauteur de construction :

VM_n= A_n* H_n

Le volume de poudre déposée dépend de l’aire (section) sur le plateau de construction, de la régénération et de la hauteur de construction. Dans le cas d’une régénération constante sur l’ensemble de la campagnen, on a :

VD_n= AP * TR_n* H_n

La poudre qui ne capte pas d’oxygène a donc le taux d’oxygène du recyclage précédent :

XF_n= X_n-1

Le taux d’oxygène de la poudre au recyclagenest égal à la pondération par la masse du taux d’oxygène de la poudre chauffée et non chauffée :

<=> , car

L’augmentation du taux d’oxygène entre la poudre de recyclage n et n-1 est :

L’augmentation du taux d’oxygène entre la poudre approvisionnée et le recyclagenmaxest la somme de toutes les augmentations des recyclages 0 ànmax:

<=> =

=

<=> =

L’augmentation standard moyenne en oxygène par unité de volume est constante pour une machine figée (réglage des paramètres de la machine, programme de la machine, gaz protecteur) et est égale à la différence entre les taux avant et après chauffage de la poudre et donc entre les zones de poudre chauffées et non chauffées :

, car

<=>

La masse totale après recyclage est la somme de la masse de poudre chauffée et non chauffée récupérée après recyclage :

La masse de poudre chauffée dépend de la masse volumique de poudre tassée associée à l’épaisseur de poudre chauffée et à la surface de contact (volume de poudre chauffée) :

La masse de poudre du recyclagenest égale à la masse de poudre déposée moins la masse de poudre qui a été fusionnée (et donc non recyclée car intégrée à la pièce) moins la masse de poudre qui sera perdue au recyclage (projections et grosses poudres jetées lors du tamisage ou dans le cendrier) :

La masse de pièce construite dépend du volume des pièces et de la masse volumique du matériau fusionné :

La masse de poudre déposée dans la machine dépend du volume de poudre déposé et de la masse volumique de la poudre tassée :

La masse de poudre perdue lors du recyclage dépend principalement des projections dont le pourcentage dépend du volume de pièce fusionné :

A partir de ces relations, on peut déduire une loi permettant de prédire le taux d’oxygène X_nen fonction des fabrications. La loi (I) en donne l’évolution entre la fabricationn-1etn, tandis que la loi (II) en donne l’évolution à partir du taux d’oxygène initial X₀sur plusieurs fabrications sommées pour le nombre total de recyclages n_max:

(I)

avec

(II)

Ces lois permettent de prédire l’évolution de la composition en oxygène des grains et des pièces. Elles permettent de mettre en œuvre le procédé de l’invention par exemple comme on va l’expliquer à l’appui de la figure 8.

On met en œuvre ce procédé au moyen d’une installation de fabrication additive sur lit de poudre 10 comprenant :
- des moyens 12 formant une machine de fabrication additive sur lit de poudre et
- un organe de commande 14 configuré pour commander l’exécution du procédé.

La machine est classique et ne sera pas décrite en détail.

L’organe 14 comprend un ordinateur associé à un programme comprenant des instructions de code agencées pour commander l’exécution du procédé lorsqu’il est utilisé sur l’ordinateur. Ce programme se trouve enregistré sur un support d’enregistrement de données. On peut prévoir la mise à disposition du programme sur un réseau de télécommunication interne ou externe tel qu’internet en vue de son téléchargement sur la machine ou de son exécution à distance.

On suppose que l’installation 12 est stable s’agissant des paramètres de fabrication tels que puissance, vitesse de déplacement du faisceau d’énergie et atmosphère protectrice. Pour cette dernière, il s’agit de paramètres tels que les taux d’humidité, d’oxygène, d’azote, d’argon, de gaz protecteur ou du flux de gaz dans l’enceinte de fabrication.

Les étapes du procédé sont ici les suivantes.

Phase d’initiation

On dispose d’un lot neuf de poudre métallique 16 qui a un taux initial X₀en oxygène. Cette information figure par exemple parmi les données communiquées par le fournisseur de la poudre, par exemple dans le certificat d’approvisionnement. Il est souhaitable de connaitre X₀avec un nombre de chiffres significatifs suffisant.

Cette phase initiale vise à déterminer la constanteRde la formule (II) pour l’installation et les paramètres de fabrication.

On extrait un sous-lot 18 du lot de poudre 16.

Au moyen du sous-lot 18, on fabrique avec l’installation des pièces 22 par fabrication additive sur lit de poudre, et ce jusqu’à utiliser l’intégralité du sous-lot 18. Cela signifie qu’on fait passer une fois toute la poudre du sous-lot dans l’installation. La poudre non-fusionnée est récupérée. C’est la première campagne.

Ensuite, on effectue le cycle suivant, appelé ici cycle d’initiation, un nombre n_maxde fois, par exemple 10 fois, ce nombre n’étant pas limitatif (on peut le remplacer par 5, 15, etc.). Ce cycle est une campagne de production.

1) On recycle la poudre provenant de la campagne de fabrications précédente. Il s’agit de la poudre qui n’a pas été consommée pour constituer les pièces et que l’on peut donc récupérer après chaque fabrication.

2) On poursuit la fabrication des pièces 22 jusqu’à utiliser l’intégralité de la poudre recyclée. Au cours de cette étape, on fabrique en outre une ou plusieurs éprouvettes 24.

3) Au cours de ce cycle, on détermine la surface de contact S_net la masse M_n.

4) On calcule un taux X_ndu composé à partir de la surface S_net de la masse M_n.

5) On mesure un taux X_n,mesen oxygène dans l’éprouvette 24. On effectue cette mesure par exemple deux fois. Une alternative consiste à effectuer cette mesure sur une des pièces 22 mais elle implique en général de détruire la pièce. En remplacement ou en complément, il est possible d’effectuer la mesure sur un échantillon de la poudre utilisée lors du cycle.

Ici se termine ce cycle.

On reproduit donc ce cycle le nombre n_maxde fois. Cela conduit notamment à fabriquer n_maxgroupes de pièces 22.

On dispose donc d’un ensemble de taux mesurés X_n,meset on calcule une moyenne et un écart type de ces taux X_n,mes.

Parmi la mesure des taux X_n,mes, on a donc notamment mesuré un taux X_nmaxde l’oxygène dans l’éprouvette 24 fabriquée lors du dernier cycle.

On détermine ensuite la grandeurRau moyen de la formule (II). Plus précisément, une fois que l’on a les données Xn, Sn et Mn, on peut tracer le graphique de la loi selon la formule (II). A partir de l’équation de la courbe et après avoir vérifié que la valeur calculée pourRest acceptable et que X_nmaxest cohérent avec X₀, on valide le coefficientR.

Ainsi se termine la phase d’initiation.

Phase d’exploitation

Pour la suite de la mise en œuvre du procédé,Rétant dorénavant connu, on est en mesure de prédire ou d’estimer chaque X_ndes campagnes de fabrications suivantes grâce à la formule (I).

On effectue donc ensuite plusieurs nouvelles campagnes de production comme suit.

On effectue au moins une fois le cycle suivant, appelé cycle d’exploitation. Ce cycle est lui aussi une campagne de production.

1) On recycle la poudre qui n’a pas été consommée à la campagne de fabrications précédente et on poursuit la fabrication jusqu’à utiliser au moins une fois l’intégralité de la poudre recyclée.

2) On détermine la surface de contact S_net la masse M_nde poudre cumulée.

3) On calcule, au moyen de S_n, M_netR, le taux X_nen oxygène dans une des pièces 22 fabriquées lors de ce cycle. Ce calcul a lieu grâce à la formule (I). Il s’agit d’un taux prédit ou estimé.

4) On détermine si ce taux X_nremplit une condition prédéterminée. En l’espèce, on détermine si le taux X_ncalculé vérifie une condition prédéterminée relative à l’écart type des taux X_n,mes. Par exemple, on détermine si :

|X_n- X_n,moy| =< 2 x σ (III)

où :

- X_n,moydésigne une moyenne des taux X_ndes campagnes précédentes, et

- σ est l’écart type.

En d’autres termes, on met en place une carte prédictive utilisant la loi permettant de prédire la composition chimique après chaque fabrication. Puis on vérifie la conformité du taux prédit avec une marge de +/-2 écarts type sur la moyenne proposée par la loi.

5) Ensuite, on détermine une suite à donner au procédé selon que le taux remplit ou pas la condition (III).

Si la condition (III) est vérifiée, on termine le cycle d’exploitation et on le reprend au début pour réaliser une nouvelle campagne avec la poudre restante (recyclage de la poudre restante, fabrication, …).

Si la condition n’est pas vérifiée, on extrait un autre sous-lot 20 du lot de poudre 16. On réalise un mélange de cet autre sous-lot 20 avec la poudre provenant de la fabrication. Pour cela, on utilise la loi des mélanges suivante pour obtenir un mélange ayant un taux d’oxygène acceptable, à partir du taux T₀du nouveau sous-lot 20 et du taux X_nde la poudre restante, et de leurs masses de poudre respectives.

En effet, on peut déterminer le taux X_mélanged’un mélange de poudres avec des taux différents. On suppose qu’on connait les taux X₁et X₂des deux fractions de poudre à mélanger. On pèse ces fractions pour connaitre leurs masses respectives M₁et M₂. La masse M_mélangedu mélange sera la somme de ces deux masses. On mélange les poudres selon une procédure assurant l’homogénéité du mélange final. On calcule le taux d’oxygène dans le mélange par la formule de pondération suivante :

=

On débute ensuite un nouveau cycle d’exploitation avec le mélange de poudre ainsi obtenu. On a ainsi rafraichi la poudre issue de la campagne précédente.

On peut ainsi effectuer de nombreux cycles d’exploitation. Chaque fois que cela apparait nécessaire, la poudre restant après utilisation à la fin du cycle est mélangée avec un nouveau sous-lot du lot 16. On peut poursuivre cela jusqu’à épuisement du lot 16.

Dans un autre mode de mise en œuvre, on mélange la poudre restant à chaque fin de cycle avec un nouveau sous-lot afin de garder un taux constant au début de chaque cycle. Donc on effectue l’étape de mélange sans déterminer au préalable si le taux X_nremplit la condition (III) ou encore on effectue l’étape de mélange même si la condition est remplie.

On voit donc que la prédiction de X_npermet de faire un rafraichissement de la poudre utilisée avec une poudre neuve afin d’ajuster sa composition chimique et de la recaler dans les bornes de composition chimique du critère lorsque l’on est trop proche de la limite du critère. Il permet aussi, en variante, de faire ce rafraichissement en continu pour avoir une composition constante.

Il est avantageux de faire une contre-analyse sur un échantillon de poudre chaque fois qu’un nombre prédéterminé de recyclages a été fait, par exemple tous les 10 recyclages, mais ce nombre n’est pas limitatif. Cela permet de recaler la loi de prédiction (I) en mesurant un taux X_neffectif. C’est aussi l’occasion de vérifier que la différence entre la valeur mesurée X_net la valeur moyenne prédite vérifie la condition (III).

On peut poursuivre le procédé jusqu’à épuisement du lot de poudre 16.

Le procédé de l’invention est peu couteux. En effet, les données de la loi sont recueillies avec des fabrications standards et quelques analyses chimiques lors de la phase d’initiation et le coût des contre-analyses ponctuelles est faible vis-à-vis des autres méthodes. Il n’ajoute pas de temps de cycle. Il est économe en poudre et on ne devrait plus avoir de poudre restante avec ce procédé, surtout si l’on s’autorise le rafraichissement. L’invention ne nécessite pas de faire une production de pièces dédiées à l’analyse.

L’invention permet de fournir une méthode de suivi et de prédiction industrielle de la composition chimique lors d’une fabrication et d’anticiper lorsque l’on risque de sortir des critères pour le matériau pouvant impacter ses propriétés. L’invention permet le suivi de la composition chimique lors de fabrications successives de pièces, notamment de pièces aéronautiques, en fabrication additive sur lit de poudre métallique (avec laser LBM/SLM ou avec faisceau d’électron EBM).

Dans une autre variante de réalisation, on peut prévoir que l’estimation du taux X_ndurant la phase d’exploitation sert à déterminer avant toute chose si la poudre peut être recyclée telle quelle (c’est-à-dire sans mélange) ou si elle doit être mise au rebut. Il ne s’agit pas de la version de la mise en œuvre de l’invention la plus économe en poudre. Mais on voit, avec cette variante, que l’invention permet avant toute chose de prendre une décision sur la suite à donner au procédé.

Claims

Procédé de fabrication comprenant les étapes suivantes :
- extraire un sous-lot (18) d’un lot (16) de poudre, le lot ayant un taux X₀d’un composé prédéterminé,
- au moyen du sous-lot, fabriquer des pièces (22) par fabrication additive sur lit de poudre jusqu’à utiliser l’intégralité du sous-lot (18) ; puis
- effectuer un nombre n_maxde fois le cycle suivant :
- recycler la poudre provenant de la fabrication et poursuivre la fabrication jusqu’à utiliser l’intégralité de la poudre recyclée ;
- déterminer :
une surface de contact S_nentre la poudre et une matière fusionnée dans les pièces (22), cumulée depuis le début du procédé,ndésignant un numéro du cycle, et
une masse M_nde poudre utilisée cumulée depuis le début du procédé, la poudre recyclée à chaque cycle comptant pour de la masse supplémentaire, et
- mesurer un taux X_nmaxdu composé dans au moins une des pièces (22) fabriquées lors du dernier cycle ou une éprouvette (24) fabriquée lors du dernier cycle, puis
- calculer une grandeurRtelle que :

- effectuer au moins une fois le cycle suivant :
- recycler la poudre et poursuivre la fabrication jusqu’à utiliser au moins une fois l’intégralité de la poudre recyclée, puis
- déterminer la surface de contact S_net la masse M_nde poudre, et
- calculer, au moyen de S_n, M_netR, un taux X_ndu composé dans une des pièces (22) fabriquées lors du cycle.
Procédé selon la revendication précédente dans lequel le lot (16) est neuf au début de la mise en œuvre du procédé.
Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel le composé est de l’oxygène, de l’hydrogène ou de l’azote.
Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes comprenant ensuite les étapes suivantes :
- déterminer si le taux X_nremplit une condition prédéterminée ; et
- déterminer une suite à donner au procédé selon que le taux X_nremplit ou pas la condition.
Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes comprenant ensuite les étapes suivantes :
- extraire un autre sous-lot (20) du lot de poudre ;
- réaliser un mélange de l’autre sous-lot avec la poudre provenant de la fabrication ; et
- reprendre la fabrication avec le mélange.
Procédé selon la revendication 4 dans lequel on effectue les étapes de la revendication 5 lorsque la condition n’est pas remplie.
Procédé dans lequel on effectue les étapes de la revendication 5 sans déterminer au préalable si le taux X_nremplit une condition prédéterminée.
Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel :
- lors de certains au moins des cycles, on mesure un taux X_n,mesdu composé dans au moins une des pièces (22) fabriquées lors du cycle, dans une éprouvette (24) fabriquée lors du cycle ou dans la poudre utilisée lors du cycle ;
- on détermine un écart type des taux X_n,mes; et
- lors de certains au moins des cycles postérieurs à l’étape de calcul deR, on détermine si le taux X_ncalculé vérifie une condition prédéterminée relative à l’écart type.
Procédé selon la revendication précédente dans lequel on détermine si :
|X_n- X_n,moy| =< 2 x σ
où :
- X_n,moydésigne une moyenne des taux X_nde plusieurs des cycles ; et
- σ est l’écart type des taux X_n,mes.
Installation (10) de fabrication additive sur lit de poudre, comprenant :
- des moyens (12) de fabrication additive sur lit de poudre, et
- un organe de commande (14) configuré pour commander l’exécution du procédé selon au moins l’une quelconque des revendications précédentes.
Programme d’ordinateur comprenant des instructions de code agencées pour commander l’exécution du procédé selon au moins l’une quelconque des revendications 1 à 9 lorsqu’il est utilisé sur un ordinateur.
Support d’enregistrement de données comprenant un programme selon la revendication précédente sous forme enregistrée.
Procédé de mise à disposition d’un programme selon la revendication 11 sur un réseau de télécommunication en vue de son téléchargement ou de son exécution à distance.