FR3135637A1 - Dispositif et procédé pour le contrôle d’un apport de matière en fabrication additive - Google Patents

Abstract

L’invention concerne un procédé pour le contrôle des conditions de dépôt de matière en fabrication additive, sur une surface d’une pièce, par la fusion d’un fil métallique (111) dans un cordon de dépose, comprenant des étapes consistant à :i) obtenir une longueur de sortie de fil théorique ;ii) amener le fil (111) à travers la buse (115) vers la surface de la pièce :iii) détecter l’apparition de l’arc (121) entre la pièce et le fil et déclencher l’acquisition d’image de la caméra (160) ;iv) traiter l’image fournie par la caméra (160) et mesurer une longueur de sortie de fil (303) ;v) comparer la longueur de sortie de fil (303) mesurée avec la longueur de sortie de fil théorique ;caractérisé en ce qu’il comprend une étape consistant à : vi) ajuster un apport de chaleur en fonction du résultat de l’étape v).

Description

Dispositif et procédé pour le contrôle d’un apport de matière en fabrication additive

L’invention concerne un dispositif et un procédé pour le contrôle d’un apport de matière en fabrication additive.

L’invention appartient au domaine de la fabrication additive. Plus particulièrement l’invention appartient au domaine de la fabrication additive où un apport de matière est réalisé par le dépôt d’une matière en fusion.

L’invention vise à contrôler les paramètres opérationnels d’une opération de fabrication additive par apport d’une matière en fusion, de sorte à adapter ces paramètres opérationnels en cours d’opération, pour conserver cet apport dans des conditions acceptables afin d’éviter l’apparition de défauts.

L’invention est plus particulièrement, mais non exclusivement, adaptée à une opération de fabrication additive par fusion de fil.

La fabrication additive, aussi désignée par les termes « d’impression 3D », consiste notamment à réaliser un apport de matière par lignes de dépôt, issues d’un dispositif d’apport de matière dont les déplacements sont pilotés dans l’espace selon des trajectoires programmées, pour obtenir un objet de forme tridimensionnelle définie.

Plus particulièrement pour la réalisation d’un objet constitué d’un matériau métallique, les lignes de dépôt sont obtenues par la fusion d’un apport métallique solide continu dudit métal.

À titre d’exemple cet apport est réalisé par un fil mis en fusion par la création d’un arc électrique entre ledit fil et la pièce en cours de fabrication, par exemple au moyen d’une torche MIG.

L’arc électrique provoque à la fois la fusion du fil et celle d’une couche de matière plus ou moins profonde et étendue dans le substrat sur lequel le dépôt de matière est réalisé.

Ainsi, il est nécessaire d'adapter les paramètres de dépose afin d’obtenir une bonne cohésion du dépôt avec le substrat et d’éviter les manques de matière, tout en évitant l'effondrement des couches de dépôt précédentes, plus particulièrement, mais non exclusivement, pour la réalisation de pièces de grandes dimensions.

De plus le contrôle de la forme du cordon de dépose, hauteur et largeur, prend une importance particulière dans le cadre de la fabrication additive par dépôts successifs comparativement à une opération de soudure simple,

Par suite, si les techniques de soudage de type MIG sont bien maîtrisées dans le cadre d’opérations de soudure, l’adaptation de ce procédé à des opérations de fabrication additive utilisant des cordons de dépose superposés nécessite un contrôle beaucoup plus fin et réactif des paramètres de dépose.

Le document US11027332 décrit un procédé de fabrication additive dans lequel l’apport de matière est réalisé par la fusion d’un fil métallique au moyen d’un faisceau d’électrons. Une caméra infrarouge mesure en temps réel la température du bain de fusion, la température après solidification, et utilise ces mesures pour piloter en temps réel les conditions de dépôt de matière, notamment en comparant le profil de distribution de température à un profil dit idéal.

Les document US2021/0191363 décrit un procédé de fabrication additive dans lequel l’apport de matière et réalisé par la fusion d’un fil au moyen d’un laser. Plusieurs paramètres sont mesurés au cours de la fabrication, dont la température au point de dépose, et sont traités via un réseau de neurones préalablement entraîné, afin d’apporter, le cas échéant, les corrections nécessaires aux paramètres de mise en œuvre du procédé, pour atteindre un objectif prédéfini.

Ces dispositifs de l’art antérieur sont toutefois complexes de mise en œuvre.

Dans l’exemple d’un apport de matière par fusion d’un fil au moyen d’une torche de soudage de type MIG, les plages adaptées des paramètres de dépôt sont déterminables a priori, par exemple à partir d’essais, notamment l’ampérage d’alimentation ou la vitesse de déplacement de la torche.

Il subsiste néanmoins de nombreuses sources de variation susceptibles d’influencer le résultat final, notamment et sans prétention d’exhaustivité, le diamètre réel du fil d’apport, la composition des matières constituant le substrat et le fil d’apport, la température de la matière sur laquelle le dépôt est réalisé, la température extérieure, l’hygrométrie etc.

Il est difficile, voire impossible, de connaître avec précision l’influence de ces facteurs de variation pris seuls ou en combinaison, de sorte que même si ceux-ci sont mesurés en cours de procédé, ledit procédé ne peut être piloté en conséquence, d’autant plus que le nombre de paramètres pilotables est limité.

L’invention vise à résoudre les insuffisances exposées ci-avant et concerne à cette fin un procédé pour le contrôle des conditions de dépôt de matière en fabrication additive, sur une surface d’une pièce, par la fusion d’un fil métallique dans un cordon de dépose au moyen d’un dispositif comprenant :

- une buse par laquelle le fil est apporté, selon une vitesse instantanée de sortie de fil, vers une zone de dépôt sur la surface de la pièce ;

- un poste de soudure comprenant des moyens d’alimentation électrique pour créer un arc électrique entre le fil et la surface de la pièce dans la zone de dépôt selon une puissance variable et pilotable, et ;

- des moyens pour déplacer la buse dans l’espace relativement à la surface de la pièce selon une position et une vitesse d’avance ;

- un directeur de commande numérique apte à piloter la puissance délivrée par les moyens d’alimentation électrique (120), la vitesse d’avance et la position de la buse dans l’espace ;

- une première caméra (160) focalisée sur la buse et la zone de dépôt (150), apte à acquérir une image du fil selon une fréquence d’acquisition t des moyens de traitement d’image associés ;

- des moyens aptes à détecter l’arc électrique ans la zone de dépôt (150) et à déclencher une acquisition d’image de la caméra ;

le procédé comprenant des étapes consistant à :

i) obtenir une longueur de sortie de fil théorique ;

ii) amener le fil à travers la buse vers la surface de la pièce :

iii) détecter l’apparition de l’arc entre la pièce et le fil et déclencher l’acquisition d’image de la caméra ;

iv) traiter l’image fournie par la caméra et mesurer une longueur de sortie de fil ;

v) comparer la longueur de sortie de fil mesurée avec la longueur de sortie de fil théorique ;

le procédé comprenant une étape consistant à :

vi) ajuster un apport de chaleur en fonction du résultat de l’étape v).

Ainsi le procédé objet de l’invention permet de contrôler la longueur de sortie de fil en temps réel et notamment en fonction des variations de trajectoires ce paramètre influençant les conditions de dépose de la matière et notamment la santé de la matière dans la zone de dépôt.

L’invention est mise en œuvre selon les modes de réalisation et les variantes exposées ci-après lesquelles sont à considérer individuellement ou selon toute combinaison techniquement opérante.

Avantageusement, le procédé comprend une étape consistant à déterminer une température maximale de la surface de dépose avant dépose et le dispositif comprend un pyromètre, le procédé comprenant des étapes consistant à mesurer une température de la surface de la pièce dans la zone de dépôt avant l’étape ii) et comprenant une étape vii) de pause (552) de l’apport de chaleur pour obtenir un refroidissement de la surface de dépose jusqu’à une température inférieure à la température maximale.

Avantageusement, le procédé comprend une étape consistant à déterminer des températures cibles de la surface de dépose et le dispositif comprend un inducteur à la sortie de la buse apte à chauffer la surface de dépose le procédé comprenant avant l’étape ii) des étapes consistant à :
- mesurer une température la surface de dépose au moyen du pyromètre ;
- chauffer la surface de dépose au moyen de l’inducteur pour atteindre les températures cibles.

Selon une variante de réalisation, compatible avec ce dernier mode de réalisation, le procédé comprend des étapes consistant à :
- obtenir une température minimale du bain de fusion (151)
- mesurer la température du bain de fusion au moyen du premier pyromètre
- chauffer ledit bain de fusion au moyen de l’inducteur si la température ainsi mesurée est inférieure à la température minimale du bain de fusion.

Ces modes de réalisation ajoutent des contrôles supplémentaires pour rester dans des conditions optimales de dépose,

Selon un mode de réalisation perfectionné, le dispositif comprend une deuxième caméra apte à capturer une image du cordon de dépose dans la zone de dépôt et dans lequel la forme du cordon de dépose est caractérisée par une hauteur selon un axe d’élévation sensiblement perpendiculaire à la surface de dépose et une largeur selon un axe d’étalement sensiblement parallèle à la surface de dépose, un deuxième pyromètre apte à mesurer la température de la surface de dépose, le procédé comprenant avant l’étape vi) les étapes consistant à :
- acquérir une image du cordon de dépose dans la zone de dépôt au moyen de la deuxième caméra ;
- mesurer la largeur du cordon de dépose ;
- et l’étape vi) comprend l’ajustement d’au moins un paramètre parmi, une puissance délivrée par le poste de soudure, la vitesse d’avance et la vitesse instantanée de sortie de fil.

Ce mode de réalisation, ajoute un contrôle direct du cordon de dépose et un asservissement des paramètres de pilotage à ce contrôle.

Avantageusement, l’étape vi) comprend des étapes consistant à :
- si la largeur du cordon de dépose est supérieure à une proportion définie de la hauteur dudit cordon de dépose, mettre en pause le procédé et mesurer au moyen du deuxième pyromètre la température de la surface de dépose ;
- reprendre le procédé lorsque la température de la surface de dépose descend au-dessous de la valeur de température maximale.

Ce mode de réalisation assure des conditions des bases pour la réalisation de l’opération de fabrication additive dans des conditions adaptées.

Dans un perfectionnement de ce mode de réalisation l’étape vi) comprend les étapes consistant à :
- si la hauteur mesurée du cordon de dépose est inférieure à une hauteur visée, réduire l‘apport de chaleur jusqu’à atteindre la hauteur visée ;
- si la hauteur mesurée du cordon de dépose est supérieure à la hauteur visée, augmenter l’apport de chaleur la puissance délivrée par le poste de soudure et réduire la température du fil jusqu’à atteindre la hauteur visée.

Ce mode de réalisation permet d’asservir les paramètres de pilotage à la mesure pour viser des conditions optimales de dépose à tout instant.

Selon un mode de réalisation, le dispositif comprend un profilomètre apte à mesurer un état de surface d’une surface latérale à la surface de dépose et des moyens de mémoire, et qui comprend une étape consistant à enregistrer ledit état de surface avec la position de la buse et les enregistrer dans les moyens de mémoire

Avantageusement le profilomètre est utilisé pour acquérir un profil du cordon de dépose.

Ce mode de réalisation permet notamment d’utiliser les informations enregistrées pour prévoir des opérations ultérieures de finition.

Avantageusement, le déclenchement de l’acquisition d’image au cours de l’étape iii) est retardé par rapport à la détection de l’arc. Ce retard permet d’observer le plasma entre le fil et la pièce sans que la première caméra ne soit éblouie par l’arc initial d’amorçage

Selon un mode de réalisation avantageux, le dispositif comprend un jeu de miroirs aptes à renvoyer une pluralité d’images de la zone de dépôt selon plusieurs angles via des trajets optiques, les étapes iv) et v) du procédé étant mises en œuvre sur la pluralité d’images.

Avantageusement, le jeu de miroirs est adapté de sorte que les trajets optiques correspondant à chaque image de la pluralité ont la même longueur.

Avantageusement, le dispositif comprend un moniteur et que l’image acquise par la caméra (160) est affichée sur ledit moniteur.

Ce mode de réalisation permet à un opérateur, notamment un opérateur expérimenté, un suivi visuel en temps réel des conditions de dépose lui permettant ainsi d’ajuster manuellement certains paramètres pour s’approcher des meilleures conditions de dépose.

Avantageusement, le dispositif mettant en œuvre le procédé objet de l’invention comprend un ordinateur avec des moyens de mémoire, apte à mettre en œuvre les étapes i) à vi) par l’exécution d’un programme compris dans les moyens de mémoire, ledit programme comprenant un réseau de neurones pour la mise en œuvre de l’étape vi).

L’invention est mise en œuvre selon les modes de réalisations préférés exposés ci-après, nullement limitatifs, et en référence aux figures 1 à 8 dans lesquelles :

représente selon une vue schématique en perspective d’un exemple de réalisation d’un dispositif pour la mise en œuvre du procédé objet de l’invention ;

est une vue en coupe AA définie , d’un exemple de réalisation du dispositif pour la mise en œuvre du procédé objet de l’invention ;

montre de manière schématique l’image vue par la caméra de la en cours de mise en œuvre du procédé de fabrication additive ;

représente selon la même vue que la un mode de réalisation mettant en œuvre une deuxième caméra ;

est un synoptique montrant les modes d’actions possibles sur les paramètres en fonction de la forme mesurée du cordon de dépose ;

représente selon la même vue que les figures 2 et 4 un exemple de réalisation mettant en œuvre un profilomètre.

montre en vue de dessus schématique un exemple de réalisation dans lequel une pluralité de miroirs permet une vision de la zone de dépôt selon différents angles

est une vue de principe en perspective d’une opération de fabrication additive

et selon un exemple de réalisation, le dispositif pour la mise en œuvre du procédé objet de l’invention comprend un dispositif d’apport de matière (110), par exemple, comprenant une torche de soudage de type MIG comprenant une buse (115) débitant un fil d’apport (111). La torche de soudage est alimentée par des moyens d’alimentation électrique, comprenant par exemple un poste de soudure (120) de type CMT MIG de sorte à créer un circuit électrique comprenant le dit poste de soudure, la pièce et le fil d’apport et permettre la création d’un arc électrique (121) entre la pièce (100) et le fil dans une zone de dépôt (152) sur la surface de dépose (150), zone de dépôt dans laquelle se trouve un bain de fusion (151).

La buse (115) se déplace relativement à la surface de dépose (150) en parcourant une trajectoire programmée selon une vitesse d’avance (191) définie, créant ainsi cordon de dépose (105).

Le poste de soudure (120) délivre une puissance d’alimentation sous la forme d’une tension et d’une intensité électriques instantanées aptes à initier un arc électrique (121) et entretenir un plasma entre la surface de dépose et le fil.

Selon un exemple de réalisation le poste de soudure est de type CMT. CMT étant l’acronyme de «Cold Metal Transfer». Ce procédé, décrit notamment dans le document US9035220, consiste à faire alterner des phases de création d’arc et des phases de court-circuit selon une fréquence couramment comprise entre 60 Hz et 120 Hz de sorte à faire tomber la goutte de métal en fusion attaché au fil et de réduire l’apport calorique dans le substrat.

Le dispositif d’apport de matière est supporté par un robot ou une machine-outil multi-axes (non représentés) permettant de positionner et de déplacer à une vitesse d’avance contrôlée (191) et selon une trajectoire définie, ledit dispositif dans l’espace selon au moins 3 axes (x, y, z) de translation et/ou de rotation.

La pièce comprend un substrat (101) et une partie (102) construite par fabrication additive qui est une superposition de cordons de dépose (105) successifs, créés selon des trajectoires définies. Ainsi, la zone de dépôt (152) s’étend localement soit entre deux cordons de dépose successifs comme représenté sur les figures 1 et 8 soit entre un cordon de dépose et le substrat.

Un directeur de commande numérique (190) permet de piloter, entre autres, la position et le déplacement du dispositif d’apport de matière (110) selon ses axes de déplacement, le débit du fil d’apport (111) et la puissance délivrée par le poste de soudure (120) pour l’amorçage de l’arc et l’entretien du plasma au niveau de la zone de dépôt.

Le directeur de commande numérique (190) comprend un programme consistant en des instructions de déplacement des axes du robot ou de la machine-outil à une vitesse d’avance définie, et des instructions de débit ou vitesse de sortie du fil ainsi que de puissance délivrée (tension et ampérage) par le poste de soudure (120), en fonction de la position du dispositif d’apport dans l’espace, de sorte que les trajectoires de dépose conduisent à la construction de la forme désirée.

Ces paramètres définissent un apport de chaleur sont donnés par l’équation suivante :
[Math.]

OùCest l’apport de chaleur exprimé en énergie par unité de distance, r est un coefficient de rendement thermique,UetIsont respectivement la tension et l’intensité électriques délivrées par le poste de soudage etfla vitesse d’avance.

Selon des méthodes connues de l’art antérieur, le directeur de commande numérique comprend également des tables de corrections et de variables permettant d’adapter les instructions du programme à la cinématique de la machine, aux dimensions des effecteurs et à la position de la pièce dans le volume de travail du robot ou de la machine supportant le dispositif d’apport, sans que cette liste ne soit exhaustive.

Selon des modes de mise en œuvre, le programme est contenu dans les moyens de mémoire du directeur de commande numérique ou transmis audit directeur de commande via une connexion filaire ou sans fil depuis des moyens informatiques.

Le dispositif comprend, une première caméra (160) focalisée sur la zone de dépôt (152) et attachée au dispositif d’apport de matière (110) de sorte qu’elle se déplace avec celui-ci. La caméra est de type CCD et avantageusement seul un canal, par exemple le canal rouge ou le canal vert, est utilisé pour le traitement d’image.

Ladite première caméra permet l’acquisition selon une fréquence comprise entre 60 et 120 images par seconde, de la zone de dépôt (152) comprenant l’extrémité de sortie de la buse (115) par laquelle le fil d’apport (111) est débité, le plasma et le bord de la partie construite par fabrication additive, c’est-à-dire l’extrémité du cordon de dépose (105) en cours de dépose.

La fréquence d’acquisition de la caméra est avantageusement ajustée en fonction de la fréquence des phases de création d’arc et des phases de court-circuit du poste de soudure CMT.

Les images acquises par la caméra (160) sont transmises à un système informatique (170) comprenant des moyens de mémoire et un programme d’acquisition et de traitement desdites images.

Ledit système informatique est connecté au directeur de commande numérique (190) par une liaison filaire ou radio, via une interface appropriée, et est ainsi capable d’envoyer des instructions audit directeur de commande, lesdites instructions comprenant un programme, ou des instructions modifiant les variables ou les tables de correcteurs du directeur de commande, de sorte à modifier les conditions de dépose.

Le système comprend avantageusement un moniteur vidéo (171) permettant de visualiser en temps réel l’image de la zone de dépose. Ce moniteur permet notamment à un opérateur expérimenté d’apprécier les conditions de dépose en complément du suivi informatisé, permettant, le cas échéant, à cet opérateur d’intervenir, si nécessaire, sur les conditions de dépose via le contrôle de paramètres tels que la vitesse d’avance, la vitesse de sortie de fil ou la puissance délivrée par le poste de soudure, lorsque le directeur de commande et ledit poste de soudure comprennent de tels moyens de commande.

Selon une variante de réalisation (non représentée) le système informatique est également en liaison filaire ou radio avec le poste de soudure (120) ce qui lui permet de piloter celui-ci sans passer par l’intermédiaire du directeur de commande numérique.

Selon des modes de réalisation connus de l’art antérieur, le poste de soudure comprend ses propres moyens d’asservissement notamment pour le maintien d’une dynamique d’arc dans des conditions acceptables, ce qui n’empêche pas d’imposer une partie des paramètres concernés via l’action d’un opérateur ou d’une commande externe.

, selon un mode de réalisation avantageux, le dispositif comprend un inducteur (222) alimenté en courant par un générateur de courant à haute fréquence (220) et entourant le fil d’apport (111) en sortie de buse (115).

L’inducteur (222) ainsi placé, permet, lorsqu’il est alimenté en courant, de chauffer la surface de dépose (150) ainsi que le bain de fusion (151).

Le générateur haute fréquence (220) est pilotable par les moyens informatiques (170) de sorte à élever les températures de la surface de dépose (150), du bain de fusion (151), voire du fil d’apport (111) lorsque l’inducteur (220) est alimenté en courant haute fréquence. La fréquence et la puissance d’alimentation de l’inducteur sont fonctions, notamment, de la nature du matériau constituant la surface de dépose et de la nature du matériau constituant le fil d’apport.

Un pyromètre (262), emporté par dispositif d’apport, permet de mesurer la température de la surface de dépose (150) juste avant l’apport de matière et/ou la température du bain de fusion,

La mesure effectuée par le pyromètre (262) est envoyée vers un port d’acquisition des moyens informatiques (170) de sorte, par exemple, à réaliser un asservissement du courant d’alimentation de l’inducteur à la température ainsi mesurée.

Selon une variante (non représentée) le générateur haute fréquence est pilotable par le directeur de commande numérique et l’asservissement est réalisé par l’envoi d’informations des moyens informatiques (170) au directeur de commande numérique.

La première caméra (160) est positionnée et focalisée de sorte que son champ de vision (265) couvre l’extrémité de la buse (115) par laquelle le fil d’apport (111) est débité, le cordon de dépose (105) au niveau du bain de fusion et une partie de la surface sous ledit bain de fusion, ainsi que le plasma (221) créé entre le fil d’apport et le bain de fusion.

Le dispositif objet de l’invention comprend avantageusement des moyens pour la détection d’un arc électrique entre le fil et la pièce. Selon un exemple de réalisation lesdits moyens procèdent par une détection électrique, par exemple au niveau de la mise à la masse, ou par une détection optique par exemple au moyen d’une photodiode (261). La détection de l’arc entraîne le déclenchement de l’acquisition d’images par la première caméra (160).

Avantageusement, cette acquisition est retardée par rapport à la détection de l’arc de sorte à éviter l’éblouissement du capteur de la caméra par l’arc électrique et de laisser le temps au plasma (221) de se former.

Le cordon de dépose (105) est caractérisé par une hauteur (211) mesurée selon une direction d’élévation, sensiblement normale à la surface de dépose (150), et une largeur (212) selon une direction d’étalement perpendiculaire à la précédente et perpendiculaire à la direction instantanée du déplacement relatif de la buse (191, ) par rapport à la surface de dépose (150).

Dans des conditions de dépose acceptables, le ratio entre la largeur (212) du cordon de dépose et sa hauteur (211) est compris entre des valeurs définies. À titre d’exemple non limitatif, la largeur du cordon de dépose est égale à sa hauteur et ledit ratio de proportionnalité est égal à 1. Selon un autre exemple ce ratio est égal à 2 et le cordon est 2 fois plus large que haut.

Les valeurs visées de ce ratio sont déterminées par l’expérience ou sont imposées, assorties le cas échéant d’une tolérance, par des spécifications issues d’un cahier des charges technique.

, la longueur de sortie de fil est obtenue en traitant l’image acquise par la caméra.

Une calibration préalable permet de détecter l’emplacement (315) de la sortie de buse et ses coordonnés dans l’image. La caméra étant liée au dispositif d’apport de matière et fixe par rapport à celui-ci, ce point ne bouge pas dans l’image quels que soient les mouvements dudit dispositif.

Ladite calibration permet également d’étalonner la caméra vis-à-vis de la mesure des longueurs.

La calibration est réalisée de manière régulière mais reste fixe durant le suivi d’une même opération de fabrication additive.

Au cours de la dépose de matière, le plasma (221), une fois établi, a sensiblement la forme représentée .

La longueur de sortie fil (303) est la distance euclidienne obtenue en additionnant la distance (301) entre le point de sortie de buse (315) et le point d’intersection (312) entre le fil (111) et le plasma (221), et la hauteur du plasma (302) ces distances étant mesurées parallèlement à la direction (311) du fil d’apport (111).

La longueur de sortie de fil (303) est fonction de la position (323) de la buse (315) et de la position (322) de la surface de dépose (150) dans un repère (390) lié à la machine-outil ou au robot supportant le dispositif d’apport, mais est également fonction ces paramètres régissant le transfert de matière tels que, entre autres, la vitesse de sortie de fil, l’intensité et la tension d’alimentation de l’arc électrique et d’une manière générale tous les paramètres régissant l’apport de chaleur.

Cette distance de sortie de fil définit la forme du cordon de soudure. Ainsi, elle peut être contrôlée par la position relative de la buse par rapport à la surface de dépose, position qui relève de la programmation de la trajectoire, mais aussi par les autres paramètres régissant l’apport de chaleur.

Ainsi, le procédé objet de l’invention permet un contrôle dynamique des conditions d’apport en agissant sur les paramètres régissant le transfert de chaleur, sans intervenir en correction de trajectoire.

La direction (311) du fil et le point d’intersection (312) entre le fil et le plasma et par suite la distance (301), en nombre de pixels, entre la sortie de buse et l’intersection est obtenue par un premier traitement d’image.

La hauteur (302) du plasma (221), en nombre de pixels sur l’image est obtenue par un deuxième traitement d’image visant à isoler celui-ci. Selon un exemple de traitement, l’image issue d’un seul canal de la caméra, vert ou rouge selon des variantes de réalisation, est binarisée par un seuillage fixe, de sorte à ne faire apparaître que les régions d’intensité lumineuse élevée dont fait partie le plasma. Puis, l’image est segmentée en composantes connexes afin d’éliminer des informations parasites telles que des réflexions et seule la région de surface maximale est conservée.

Connaissant la direction du fil (311) du traitement précédent, la hauteur de cette région, en nombre de pixels, selon cette direction, est déterminée.

La calibration permet de convertir ces longueurs en dimensions ISO.

Au cours de la mise en œuvre d’un procédé de fabrication additive, pour une position théorique de la buse par rapport à la surface sur laquelle est réalisé l’apport et par rapport à la surface nouvellement créée, la distance réelle entre la buse est ces surfaces est influencée notamment par des phénomènes d’effondrement de la surface sous-jacente, lorsque celle-ci atteint une température trop élevée, parce que trop d’énergie est transmise à la pièce, ou au contraire, un cordon de dépose trop haut celui-ci étant simplement déposé sur la surface sans avoir entraîné la fusion de celle-ci.

La température de la pièce évolue au cours de l’opération de fabrication additive.

Ainsi, la mesure de la longueur de fil, par ailleurs fortement influencée par la puissance d’alimentation électrique du fil, et par suite par la quantité d’énergie transférée dans la pièce, permet un premier suivi des conditions de dépose, notamment de l’intensité du courant d’alimentation du fil, afin de rester toujours dans des conditions d’apport acceptables compte tenu de la qualité visée de la partie obtenue par fabrication additive.

, selon un mode de réalisation, le dispositif pour la mise en œuvre du procédé objet de l’invention comprend une deuxième caméra (460) et un deuxième pyromètre (462) liés audit dispositif (110) et se déplaçant avec celui-ci.

La deuxième caméra (460) est focalisée sur le cordon de dépose (210) et positionnée de sorte à pouvoir estimer la largeur (212) dudit cordon de dépose

Le deuxième pyromètre (462) mesure la température de la surface de dépose juste avant le transfert de matière donnant une indication sur la température de la pièce,

Les informations issues de la deuxième caméra et du deuxième pyromètre sont transmises aux moyens informatiques (170) afin d’y être traitées.

, le dispositif d’apport se déplace perpendiculairement à la page. La deuxième caméra observe le cordon de dépose au niveau du bain de fusion mais en dehors de la zone de plasma, c’est-à-dire juste après le transfert de la matière du fil vers la surface de dépose dans le sens du déplacement (411) du dispositif d’apport (110), ou juste derrière le dispositif de dépose dans le sens de son déplacement selon la direction x.

Le deuxième pyromètre (462), quant à lui, est positionné de sorte à mesurer la température de la surface de dépose juste avant l’apport de matière c’est-à-dire devant le dispositif d’apport (110) dans le sens de son déplacement (411) selon la direction x.

Selon une variante de réalisation (non représentée) le dispositif de mise en œuvre du procédé utilise, à la place de l’unique deuxième caméra (460), deux caméras supplémentaires, l’une observant le cordon de dépose selon une vue de dessus pour en mesurer la largeur (212), l’autre observant le cordon (210) en vue de profil pour en évaluer la hauteur (211).

Selon un autre mode de réalisation, , le dispositif comprend une pluralité de miroirs (751… 756) répartis autour de la buse (115) et se déplaçant avec elle, pour permettre une vision de la zone de dépose selon plusieurs angles, idéalement répartis sur 360°.

Le jeu de miroirs permet de renvoyer l’image (711) du fil et l’image (721) du plasma vers une même caméra ou une pluralité de caméras.

Les miroirs (751… 756) sont positionnés de sorte que les trajets optiques (791… 794) de la zone de dépose au plan focal de la ou des caméras C CD (non représentées) soient les mêmes quelle que soit l’image de sorte que lesdites images soient acquises selon un même rapport de reproduction.

La meure de plusieurs effets sensibles aux conditions de dépose, sont susceptibles de servir de bases, seuls ou en combinaison pour ajuster lesdites conditions de dépose de matière, plus particulièrement :
- la longueur de sortie de fil
- la forme du cordon de dépose
- la température de la surface de dépose avant dépose

Le contrôle des conditions de dépose s’opère par le contrôle des paramètres du procédé, plus particulièrement :
- la puissance d’alimentation électrique passant par le fil, par le pilotage du poste de soudure (tension, ampérage)
- la vitesse de déplacement relative de la buse par rapport à la pièce par les vitesses d’avance de la machine ou du robot ;
- le débit de fil
- le chauffage de la surface de dépose et du bain de fusion par l’inducteur (puissance et fréquence de l’alimentation électrique)

Ce dernier paramètre est contrôlé par la fréquence et la puissance du courant délivré par le générateur haute fréquence et alimentant l’inducteur

Avantageusement les forces de Lorentz générées par l’induction dans le bain de fusion tendent à homogénéiser celui-ci.

Ces paramètres de contrôle sont pris en compte individuellement ou en combinaison.

Avantageusement, les lois de variations des paramètres contrôlés tels que :
- tension d’alimentation du fil
- intensité d’alimentation du fil
- puissance d‘alimentation de l’inducteur
- débit fil
- vitesse d’avance

Associés à des paramètres mesurés tels que les températures et la longueur de sortie de fil, permettent de prévoir la hauteur et la largeur du cordon de dépose et donc piloter les paramètres de contrôle en conséquence, via des modèles d’intelligence artificielle par apprentissage tels que des réseaux neuronaux, des techniques PGD(Proper Generalized Decomposition), ou par l’analyse de données récoltées au cours de la mise en œuvre du procédé.

Additionnellement, selon un mode de réalisation, le procédé de dépose est interrompu avant de reprendre, par exemple lorsque la température avant dépose de la surface de dépose est trop élevée et conduit à un effondrement de ladite surface au cours du processus de dépose. Dans ce cas le procédé est mis en pause jusqu’à ce que la température de la surface de dépose atteigne une valeur acceptable, typiquement inférieure ou égale à 150 °C, cette température étant fonction du matériau déposé et déterminable par essais.

À la reprise, les paramètres tels que la puissance délivrée par le poste de soudure et la vitesse de déplacement de la buse sont éventuellement ajustés.

La envisage les différentes situations (500, 510, 520, 530, 540). Les conditions de dépose initiales sont fixées par expérience, selon des tables ou des abaques, permettant de déterminer des conditions acceptables.

Selon un exemple, une situation idéale (500) correspond à un cordon de dépose d’une largeur (212) dépendant de l’application, et d’une hauteur (211) telle que celle-ci respecte un ratio largeur sur hauteur visé.

Les autres conditions représentées correspondent globalement à une température de la surface de dépose top chaude (510, 520) et/ou un apport de chaleur trop élevé notamment à cause d’une puissance d’alimentation délivrée par le poste de soudure trop élevée et/ou une vitesse d’avance trop lente

À l’opposé, les autres situations (530, 540) correspondent à une température de la surface de dépose trop faible et/ou un apport énergétique insuffisant.

Ainsi en partant d’une situation où le cordon est trop large (510) ou trop bas (520), selon une première étape de réduction de la puissance délivrée (550), l’intensité et la tension du courant délivré par le générateur alimentant le fil sont réduites ce qui a pour effet de réduire l’apport de chaleur,

Si la situation ne correspond pas à la forme visée (500) du cordon, alors, au cours d’une étape de chauffage (551), la température de la surface de dépose est augmentée en agissant via le générateur haute fréquence sur la puissance d’alimentation l’inducteur en sortie de buse.

Si ces modifications de paramètres ne permettent pas de ramener le cordon vers la forme visée (500) ou si la puissance délivrée par le poste de soudure requise est en dessous de la capacité dudit poste de soudure, le processus est mis en pause (552) jusqu’à ce que la température de la surface de dépose descende sous une valeur acceptable

Dans le cas où le cordon est trop haut (530) ou trop fin (540), alors, selon une étape (560) d’augmentation de l’apport de chaleur, l’intensité et la tension délivrées par le poste de soudure sont augmentées et/ou la vitesse de sortie du fil et/ou la vitesse d’avance sont ajustés.

Si la forme visée n’est pas atteinte à l’issue de cette étape, alors au cours d’une étape de réduction de la température, la température du fil (561) et la température de la surface de dépose sont réduites en agissant sur le générateur haute fréquence alimentant l’inducteur en sortie de buse.

En effet, le chauffage du fil au moyen de l’inducteur tend à augmenter la résistivité du fil. L’augmentation de la résistivité du fil augmente la fluidité de l’apport si les autres paramètres ne changent pas, Ainsi, l’augmentation de la résistivité du fil permet conserver un apport de matière constant par le fil en fusion tout en réduisant l’ampérage d’alimentation du générateur, et par suite, de réduire l’apport énergétique sans réduire le débit matière déposé, c’est-à-dire, notamment, sans modifier la vitesse de sortie du fil.

Une foi les conditions de dépose visées atteintes ou suffisamment approchées, la mesure de la distance de sortie de fil permet de détecter plus rapidement des dérives et ainsi de corriger les conditions en temps réel.

Ainsi, lorsque la distance de sortie de fil augmente, les conditions se rapprochent de celles (510, 520) d’un apport de chaleur trop élevé et par suite, la puissance délivrée par le poste de soudure est réduite et/ou la température du fil est augmentée via l’alimentation de l’inducteur en sortie de buse, toujours sans changer le débit de fil.

Si la distance de sortie de fil diminue, alors les conditions se rapprochent de celles (530, 540) d’un apport de chaleur trop faible. Dans ce cas la correction est réalisée en augmentant la puissance délivrée par le poste de soudure et/ou en baissant la température du fil.

, selon un mode de réalisation particulier, le dispositif objet de l’invention comprend un ou plusieurs profilomètre laser (660) se déplaçant avec le dispositif d’apport de matière (110) et aptes à mesurer un état de surface en bordure du cordon de dépose (210) après dépose.

La mesure est envoyée vers les moyens informatiques (170) où elle est par exemple enregistrée dans les moyens de mémoire en relation avec la position dans l’espace du dispositif d’apport (110), position qui est obtenue par l’intermédiaire du directeur de commande numérique ou par d’autres moyens (non représentés).

Cette information est utilisable notamment pour localiser les zones de reprise par usinage, notamment lors de la mise en œuvre d’un procédé tel que décrit dans le document EP 2 785 492 / US 9,962,799 mettant en œuvre une machine associant des moyens de fabrication additive et des moyens d’usinage par enlèvement de matière.

La description ci-avant et les exemples de réalisation montrent que l’invention atteint le but visé et permet de contrôler et d’optimiser des conditions d’apport de matière via des mesures et des algorithmes relativement simples ce qui permet, notamment, un contrôle en temps réel, permettant de limiter les rebuts.

Plus particulièrement le dispositif et le procédé objets de l’invention permettent de contrôler en temps réel la forme du cordon d’apport de matière, même en présence de perturbations, sans intervenir sur la trajectoire de dépose.

Claims (13)

1. Procédé pour le contrôle des conditions de dépôt de matière en fabrication additive, sur une surface d’une pièce, par la fusion d’un fil métallique (111) dans un cordon de dépose au moyen d’un dispositif comprenant :
   - une buse (115) par laquelle le fil est apporté, selon une vitesse instantanée de sortie de fil, vers une zone de dépôt (152) sur une surface de dépose (150) sur la surface de la pièce ;
   - un poste de soudure (120) comprenant des moyens d’alimentation électrique pour créer un circuit et un arc électrique (121) entre le fil et la surface de dépôt (150) selon une puissance variable et pilotable, et ;
   - des moyens pour déplacer la buse dans l’espace relativement à la surface de la pièce selon une position et une vitesse d’avance ;
   - un directeur de commande numérique (190) apte à piloter, la puissance délivrée par les moyens d’alimentation électrique (120), la vitesse d’avance et la position de la buse (115) dans l’espace ;
   - une première caméra (160) focalisée sur la buse et la zone de dépôt (152), apte à acquérir une image du fil selon une fréquence d’acquisition et des moyens de traitement d’image (170) associés ;
   - des moyens (260) aptes à détecter l’arc électrique (121) dans la zone de dépôt (152) et à déclencher une acquisition d’image de la caméra (160) ;
   le procédé comprenant des étapes consistant à :
   i) obtenir une longueur de sortie de fil théorique ;
   ii) amener le fil (111) à travers la buse (115) vers la surface de la pièce :
   iii) détecter l’apparition de l’arc (121) entre la pièce et le fil et déclencher l’acquisition d’image de la caméra (160) ;
   iv) traiter l’image fournie par la caméra (160) et mesurer une longueur de sortie de fil (303) ;
   v) comparer la longueur de sortie de fil (303) mesurée avec la longueur de sortie de fil théorique ;
   caractérisé en ce qu’il comprend une étape consistant à :
   vi) ajuster un apport de chaleur en fonction du résultat de l’étape v).
2. Procédé selon la revendication 1, comprenant une étape consistant à déterminer une température maximale de la surface de dépose avant dépose et dans lequel le dispositif comprend un pyromètre (262), le procédé comprenant des étapes consistant à mesurer une température de la surface de la pièce dans la zone de dépôt (152) avant l’étape ii) et qu’il comprend une étape vii) de pause de l’apport de chaleur pour obtenir un refroidissement de la surface de dépose jusqu’à une température inférieure à la température maximale.
3. Procédé selon la revendication 2, comprenant une étape consistant à déterminer des températures cibles de la surface de dépose et dans lequel le dispositif comprend un inducteur (222) à la sortie de la buse (115) apte à chauffer la surface de dépose (150), le procédé comprenant avant l’étape ii) des étapes consistant à :
   - mesurer une température de la surface de dépose au moyen du pyromètre (262) ;
   - chauffer (551) la surface de dépose au moyen de l’inducteur pour atteindre les températures cibles.
4. Procédé selon la revendication 3, comprenant des étapes consistant à :
   - obtenir une température minimale d’un bain de fusion (151)
   - mesurer la température du bain de fusion au moyen du premier pyromètre (262)
   - chauffer ledit bain de fusion au moyen de l’inducteur si la température ainsi mesurée est inférieure à la température minimale du bain de fusion
5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel le dispositif comprend une deuxième caméra (460) apte à capturer une image du cordon de dépose (210) dans la zone de dépôt (152) et dans lequel la forme du cordon de dépose est caractérisée par une hauteur (211) selon un axe d’élévation sensiblement perpendiculaire à la surface de dépose et une largeur (212) selon un axe d’étalement sensiblement parallèle à la surface de dépose, un deuxième pyromètre (462) apte à mesurer la température de la surface de dépose, le procédé comprenant avant l’étape vi) les étapes consistant à :
   - acquérir une image du cordon de dépose (210) dans la zone de dépôt (152) au moyen de la deuxième caméra (460) ;
   - mesurer la largeur (212) du cordon de dépose (210) ;
   - et l’étape vi) comprenant l’ajustement d’au moins un paramètre parmi, une puissance délivrée par le poste de soudure (120) , la vitesse d’avance et la vitesse instantanée de sortie de fil.
6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel l’étape vi) comprend des étapes consistant à :
   - si la largeur (212) du cordon de dépose est supérieure à une proportion définie de la hauteur (211) du cordon de dépose, mettre en pause (552) le procédé et mesurer au moyen du deuxième pyromètre (462) la température de la surface de dépose (150) ;
   - reprendre le procédé lorsque la température de la surface de dépose (150) descend au-dessous de la valeur de température maximale.
7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel l’étape vi) comprend les étapes consistant à :
   - si la hauteur mesurée (211) du cordon de dépose (210) est inférieure à une hauteur visée, réduire (550) l‘apport de chaleur jusqu’à atteindre la hauteur visée ;
   - si la hauteur mesurée (211) du cordon de dépose (210) est supérieure à la hauteur visée, augmenter l’apport de chaleur (560) la puissance délivrée par le poste de soudure et réduire la température du fil (561) jusqu’à atteindre la hauteur visée.
8. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le dispositif comprend un profilomètre (660) apte à mesurer un état de surface d’une surface latéral à la surface de dépose et des moyens de mémoire, comprenant une étape consistant à enregistrer ledit état de surface avec la position de la buse dans les moyens de mémoire.
9. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le déclenchement de l’acquisition d’image au cours de l’étape iii) est retardé par rapport à la détection de l’arc.
10. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le dispositif comprend un jeu de miroirs (751… 756) aptes à renvoyer une pluralité d’images de la zone de dépôt (152) selon plusieurs angles via des trajets optiques (791… 794), les étapes iv) et v) du procédé étant mises en œuvre sur la pluralité d’images.
11. Procédé selon la revendication 10, dans lequel le jeu de miroirs est adapté de sorte que les trajets optiques (791… 794) correspondant à chaque image de la pluralité ont la même longueur
12. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le dispositif comprend un moniteur et que l’image acquise par la caméra (160) est affichée sur ledit moniteur.
13. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le dispositif comprend un ordinateur (170) avec des moyens de mémoire, apte à mettre en œuvre les étapes i) à vi) par l’exécution d’un programme compris dans les moyens de mémoire, ledit programme comprenant un réseau de neurones pour la mise en œuvre de l’étape vi).