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WO2023037083A1 - Procédé de dépôt de fil métallique fondu à l'aide d'un faisceau laser balayé sur la surface de la pièce. - Google Patents

Procédé de dépôt de fil métallique fondu à l'aide d'un faisceau laser balayé sur la surface de la pièce. Download PDF

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WO2023037083A1
WO2023037083A1 PCT/FR2022/051708 FR2022051708W WO2023037083A1 WO 2023037083 A1 WO2023037083 A1 WO 2023037083A1 FR 2022051708 W FR2022051708 W FR 2022051708W WO 2023037083 A1 WO2023037083 A1 WO 2023037083A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
modulation
additive manufacturing
wire
manufacturing process
process according
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/FR2022/051708
Other languages
English (en)
Inventor
Didier Boisselier
Jérôme WURSTHORN
Julien WILLAUER
Zakaria MAHFOUD
Thibault REIFSTECK
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INDUSTRIALISATION DES RECHERCHES SUR LES PROCEDES ET LES APPLICATIONS DU LASER
Original Assignee
INDUSTRIALISATION DES RECHERCHES SUR LES PROCEDES ET LES APPLICATIONS DU LASER
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by INDUSTRIALISATION DES RECHERCHES SUR LES PROCEDES ET LES APPLICATIONS DU LASER filed Critical INDUSTRIALISATION DES RECHERCHES SUR LES PROCEDES ET LES APPLICATIONS DU LASER
Priority to US18/690,646 priority Critical patent/US20240375218A1/en
Priority to EP22783539.4A priority patent/EP4399040A1/fr
Publication of WO2023037083A1 publication Critical patent/WO2023037083A1/fr
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y10/00—Processes of additive manufacturing
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    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • the present invention relates to the field of additive manufacturing DED-wire or material deposition under concentrated energy (Directed Energy Deposition-Wire) consisting in melting a metallic material in the form of a wire using concentrated thermal energy (laser, electron beam and electric arc) and deposited along a determined trajectory in order to produce cords which are juxtaposed to form a layer.
  • concentrated energy laser, electron beam and electric arc
  • the layers of material are superimposed until the final part is obtained, the geometry of which approaches the final object, but which will however need to be reworked.
  • additive manufacturing refers to the construction of a part or product by repeatedly adding layers of material and bonding new layers to previous layers.
  • the examples described can be used to perform additive manufacturing using wire (e.g., metal wire, optionally flux-cored wire, metal-core wire, etc.) as the material, melted by the action of energy from a laser beam, and deposited to form a new layer, which welds onto the previous layer.
  • wire e.g., metal wire, optionally flux-cored wire, metal-core wire, etc.
  • the design of a part begins with the creation of the 3D model using CAD software.
  • the digital model of the part is then cut into a multitude of layers, parallel to each other, by cutting software, called a slicer, representing the different layers of material needed to manufacture the part.
  • the technique involves depositing material onto a platen or component being repaired using a nozzle mounted on a multi-axis (usually 4 to 6) arm.
  • the material that feeds the nozzle is supplied in powder or wire form.
  • a heat source melts the material simultaneously, generally using a laser, an electron beam, an electric arc or even a plasma jet. This procedure is repeated until the layers have solidified and created or repaired an object.
  • a laser beam ensures the local fusion of the wire.
  • This technique allows in particular the repair or recharging of damaged metal parts and the construction by deposition under concentrated energy of relatively large parts (a dimension exceeding one meter) requiring minimal tooling, inexpensive and relatively little post-processing. DED processes also make it possible to produce components with composition gradients or composite structures made up of several materials with different compositions and structures.
  • This prior art document provides for an oscillating laser beam effecting a weld by advancing over the seam not in a fixed beam path, but by moving the beam path around the center line as the beam advances.
  • the laser beam is rotated around a vertical axis.
  • Patent application JP2019155376 describes an additive manufacturing device proposing to inject three materials in the form of a fill.
  • Paragraph [0026] specifies that a rotating prism drives the rotating beam to irradiate each of the three wire-like metallic materials.
  • patent US9095928 describing a system that directs a first laser beam onto a surface of a workpiece to create a molten puddle on the surface, and a yarn feeder that advances a non-durable item to to the molten pool so that the expendable article comes into contact with the molten pool.
  • the system includes a second laser beam system that directs a second laser beam at the consumable article before the consumable article enters the bath, and a controller that controls an output of the power supply and the second laser beam system.
  • Patent EP3263269 relates to a welding or hardfacing apparatus in which one or more energy beam emitters are used to generate a wide beam spot transverse to a welding or hardfacing path, and one or more wire feeders supply stitch the wire to create a wide weld bead.
  • the invention relates, in its most general sense, to an additive manufacturing process having the characteristics set out in claim 1.
  • the method consists in controlling the movement on the surface of a piece of equipment comprising at least one laser whose beam is focused on the output of a feed head delivering at least one metal wire from a diameter D, said equipment being controlled to move the interaction zone of the beam of said laser with said at least one wire along a main trajectory representative of the geometry of the part to be manufactured, characterized in that said movement of the interaction zone is modulated by a modulation on 2 axes according to a longitudinal direction parallel to the velocity vector of said main trajectory and a transverse direction, normal to the velocity vector in the focal plane, said deviation defining a curve swept with a velocity greater than the displacement velocity along said main trajectory, said modulation on 2 axes being controlled by a control system comprising means of parameterizing for each fabr ication the control law of said modulation on 2 axes.
  • the axis of the wire feed head forms an angle of between 5 and 40° with the axis of the laser beam.
  • said filler wire feed head comprises a plurality of filler wire outlets converging towards an interaction zone corresponding to the intersection between the modulation of the beam on 2 axes and the surface of the part on which the cord is placed.
  • At least two wires are injected into the interaction zone.
  • said control system is based on an automaton and a digital control and controls a modulation of the laser beam and a modulation on the various injected wires.
  • said at least one metal wire comprises at least two different materials.
  • the movement of the interaction zone is controlled to provide preheating upstream of the molten pool using the beam not absorbed by the wires.
  • the displacement of the interaction zone is modulated by said 2-axis modulation according to a form adapted to the injection of the filler wires so as to ensure the preheating of the zone comprising the wire and the piece upstream of the weld pool, the fusion of the filler wire(s) as well as the maintenance of the weld pool.
  • the movement of the interaction zone is modulated by said 2-axis modulation according to a determined shape to act directly during the deposition of material on the width of the melt pool and thus the geometric characteristics of the material deposited. .
  • At least two filler wires with different chemical compositions are injected.
  • At least two filler wires of different diameters are injected.
  • Figure 1 shows a schematic front view of the installation
  • Figure 2 shows a schematic view of the modulation zone
  • FIG. 3 represents a schematic view of the closed curve traversed by the laser beam according to a first variant
  • FIG. 4 represents a schematic view of the closed curve traversed by the laser beam according to a second variant
  • Figure 5 shows the manufacturing diagram of a T-shaped specimen.
  • the present invention aims to facilitate the manufacture without recourse to a vacuum enclosure of large-sized parts, typically several tens or even hundreds of centimeters by additive manufacturing, and/or reloading for the repair of damaged parts of such parts.
  • of large dimensions, and/or the addition of functional protrusions on parts and the performance of welding operations with addition of material with a wide range of metal alloys in the form of coiled wires, in the open air or under a controlled atmosphere at ambient pressure.
  • These include wires of stainless steels, low and medium alloy steels, titanium alloys, nickel and cobalt superalloys, aluminum alloys as well as copper bases, and so general all materials conductive or not, weldable, from an operating point of view, and available in the form of wire.
  • the objective of the invention is to make it possible to manufacture large-sized parts, at manufacturing speeds greater than 500cm3/h.
  • This device must make it possible to maintain a regularity of the deposition layer after layer thanks to great robustness, despite the high construction speed that can be achieved.
  • the invention relates more particularly to the fact that the movement of the laser beam is controlled along a main trajectory, and that this beam is also subjected to periodic movements of low amplitude around the median position defined by the main trajectory. . It differs from the prior art in that this modulation is not constant over the entire trajectory, but that certain characteristics of this modulation vary dynamically to take into account the deposit conditions which differ according to multiple parameters, in particular related to the trajectory (radius of curvature, cusp point,...) and to the specificities of the interaction zone with the wire and the support (number of wires, local temperature,).
  • This modulation can be defined beforehand for each zone of the main trajectory, the modifications of the scanning parameters being controlled according to the position of the laser head on the main trajectory. It can also be driven dynamically from information supplied by a sensor, for example an optical and/or thermal camera directed towards the zone of interaction of the laser with the fuse wire(s), controlling the changes in the scanning parameters.
  • a sensor for example an optical and/or thermal camera directed towards the zone of interaction of the laser with the fuse wire(s), controlling the changes in the scanning parameters.
  • the invention illustrated by way of schematic example in Figure 1, is based on the use of a laser (2), of the fiber laser type, laser disk or laser diodes emitting a beam conducted by optical fiber to an optical unit (3) producing a focused beam (9) which interacts with a wire (6) injected laterally with respect to the laser beam.
  • a laser (2) of the fiber laser type, laser disk or laser diodes emitting a beam conducted by optical fiber to an optical unit (3) producing a focused beam (9) which interacts with a wire (6) injected laterally with respect to the laser beam.
  • This interaction makes it possible to melt this wire thanks to the use of a sufficiently high energy density (focused beam).
  • the optical unit (3) which shapes the laser beam so that it interacts with the fuse material supply wire(s) and the part on which the deposition is carried out, is moved while maintaining a given distance (working distance depending on the focal length of the optical system) with respect to the surface of the part, according to a so-called main trajectory (16), following the trace of the part fixed by the additive manufacturing or reloading plan, with a local speed V in the plane (14) of the work area, and over a distance L corresponding to the course of the trajectory fixed by the manufacturing plan or reloading, while moving the laser beam (9) at the same time and independently of the so-called main trajectory (16), along a moving median axis (11) normal to the plane (14) of the work area, the point of intersection (15) between this axis (11) and this plane (14) being moved on c this surface.
  • the laser beam (9) is further deflected along a periodic trajectory (13) defining a closed curve (13) falling within an interaction zone (4) between the laser beam (9) and the wire(s) (6), centered on the axis of the beam (11).
  • the invention relates to the fact that the characteristics of the periodic trajectory (13) of modulation with respect to the main trajectory are dynamically adapted according to the local characteristics of the main trajectory.
  • the modulation parameters which are controlled according to the local characteristics of the trajectory relate to one or more of the characteristics comprising:
  • the nature of the pattern (in a circle, in a figure of eight, in a rectangle, etc.), for example by selection from a base of pre-recorded patterns
  • the amplitude of the modulation The frequency of the modulation
  • the local characteristic(s) taken into account to control the modulation include:
  • Either the parameters of the different configurations are identified beforehand and stored in a database.
  • the system analyzes the configurations encountered and uses the pre-programmed parameters according to defined selection criteria.
  • Either the system can be equipped with sensors that analyze the conditions of the interaction and the deposition geometry to automatically adapt the modulation parameters and the other process parameters.
  • the modulation mode is not constant but depends on the position on the main trajectory.
  • modulation parameters are controlled and adjusted dynamically to favor the beam/wire interaction on certain wires or certain portions of wires rather than others in order to be able to better control and regulate the deposition of material, and counterbalance asymmetries and instabilities resulting from the type of bead, direction of travel, etc.
  • the displacement of the interaction zone (4) between the laser beam (9) and the wire (6) (or the wires when the installation provides for the power supply with several wire injectors) is ensured by a combination of two movements: A main movement, along a trajectory defined by the configuration of the part to be produced, ensured by a robotic arm or a set of Cartesian motorized axes ensuring the movement of the plate (1) supporting the laser (2), the optical unit ( 3) and the feed reel as well as the wire feed head (6) A modulation displacement, according to a closed curve, ensured by a galvano-scanner or by a motorized unit (8) controlling a displacement of the laser ( 1) and the optical unit (3) with respect to the plate (1), along two axes perpendicular to the axis of the laser beam (9).
  • the main displacement is determined by the geometry of the part to be produced, in a known manner from a digital definition file of the part, for example, making it possible to generate the deposition trajectories of the different layers according to an optimized path.
  • the digital definition of the part Prior to the deposition operation, the digital definition of the part is cut by a multitude of mutually parallel cuts. These cuts represent the layers of material to be deposited, and the thickness of each corresponds to the thickness of the cords deposited. In each of these layers, the displacement of the deposition head is calculated to cover the surface using juxtaposed cords of material. All these movements are recorded in a file constituting the part program, then read by the numerical control of the machine, which controls the various motorized axes of the machine.
  • the displacement speed V of the deposition head is of the order of a few tens of centimeters per minute, for example from 0.4 to 0.6 meters per minute. It can reach several meters per minute depending on the desired size of the cords.
  • the second so-called modulation displacement takes place near the melting point of the thread or threads, along a curve, in particular a closed curve, defined by a controllable shape, with a longitudinal amplitude in the direction of main displacement, and a transverse amplitude, along the direction perpendicular to the main displacement direction, in the plane defined by the layer being formed.
  • the modulation trajectory has two or more singular points where the speed along the main displacement direction is zero.
  • the diameter of the wire is between 1 and 4 millimeters, typically 1.6 mm.
  • the curve of this modulation displacement typically takes the form of an “8” or of a circle or any other form of pattern.
  • This modulation shift is described by the laser beam at an adjustable frequency of several hundred hertz, typically 250 Hz and more generally between 200 and 300 Hz.
  • the device according to an exemplary embodiment of the invention illustrated by Figures 1 and 2 consists of a plate (1) actuated by a robotic arm.
  • This plate (1) supports an optical fiber carrying the laser beam is connected to an optical module comprising a scanner and beam shaping optics produced by a high-power laser source (2) (several kW, up to 'to more than 10kW) associated with an optic (3) to focus on the wire at a focal point (4) corresponding to the zone of interaction between the laser beam and a metal wire delivered by a power supply system (7) .
  • a high-power laser source (2) severe kW, up to 'to more than 10kW
  • the feed system (7) comprises a controlled motorized system making it possible to control the advancement of the wire (6) as far as the injection system (5) with a maximum speed of a few meters per minute, typically 4 to 6 meters per minute or even 10 m/min. It also comprises a cooling nozzle (15) and diffusion of a neutral or inert gas to protect the melt from oxidation.
  • a control system based on the use of a digital control makes it possible to control, using a scanner (8), the modulation of the beam in the focal plane (4) of the optical system (2,3) according to a pattern and a programmed frequency, and to move this assembly along a programmed trajectory, made up of juxtaposed cords making it possible to cover the entire surface of the layer.”
  • This modulation is to widen the energy supply zone, by melting the wire (6) when passing over it in the interaction zone (4), while maintaining a weld pool whose width is fixed by the transverse dimension with respect to the direction of advance provided by the robotic arm.
  • the amplitude of this modulation reaches 10 mm, and the patterns are produced with a frequency of 250 Hz.
  • the scanner (8) controls a trajectory in the form of a circle, of 8, of infinity or even of dashes, presenting two or three singular points (10 to 12) as illustrated by FIGS. 3 and 4.
  • This modulation function also makes it possible to start superficially melting the surface of the part upstream of the molten pool where the deposition of the molten wire takes place and to delimit more precisely the edges of the bead of deposited material.
  • the wire (6) is injected laterally relative to the beam (9), with an angle a, of approximately 30° or less.
  • This lateral injection coupled with beam modulation offers several advantages: This configuration is not very sensitive to beam/wire alignment faults. Even if the wire is a little off, the beam will still be able to melt it with the same efficiency.
  • a "comb" composed of several threads (6, 16, 26) can be controlled individually so as to select the desired threads in the interaction in order to modify the morphology of the deposit during use of the method: for example in the case of side-by-side beads, especially when the beads are wide, and in order to ensure a better surface geometry.
  • the comb made up of several wire injections can be made up of wires of different diameters to more precisely control the melting of the filler metal along the edges or the center of the bath, and depending on the modulation parameters.
  • the modulation of the beam on the wire(s) also makes it possible to use cored wires, which makes it possible to work with wires with a composition adapted to the process, making it possible, for example, to reinforce certain alloy elements in the event of volatilization during the interaction with the beam but also to extend the range of possibilities of usable wires, with for example non-drawable materials,
  • the control of the displacements of the modulation makes it possible to improve the regularity and the stability of the weld pool and to vary the width of the weld pool by adjusting the modulation amplitude as well as the height of the weld pool. fusion according to the parameters of modulation of the speed of movement according to the main trajectory.
  • the part of the beam not absorbed by the wire preheats the part or the previous layer upstream of the weld pool.
  • Working with a large focal length offers the advantage of working with a large depth of field. This depth of field provides great operational flexibility along the Z axis: the characteristics of the beam change little over a large range, thus making it possible to maintain performance for melting the wire and depositing it on the previous layer. This is an important point because in this case profile variations will only have a limited influence on the characteristics of the deposit.
  • Figure 4 illustrates the implementation of the invention for the additive manufacturing of a test piece having a cross section in the shape of a "T".
  • the arrows horizontal (20) represent the main trajectories to form a layer of one of the bars of the specimen, with the order number of removal, and the vertical arrows (30) represent the main trajectories to form a layer of the another bar of the test piece.
  • Width of a cord 12mm
  • Modulation amplitude 6mm Modulation frequency: 250Hz
  • the dimensions of the specimen are: a. Height: 80mm, b. Wall length: 250mm c. Wall thickness: 30mm
  • the main trajectory includes parallel movements (20), in the example described a first rectilinear movement in one direction, over a distance of 220 millimeters, then an offset in the perpendicular direction, with a pitch of 6.4 mm and a return in the opposite direction, beam off, of 220 millimeters, and repetition to cover the width of the branch in progress.
  • the layer of the complementary branch is produced, with equivalent cycles, with a spacing of 5 mm.
  • the deposition head is shifted by an increment of 2.2m in the direction normal to the surface of the deposited layer to manufacture the next layer, with the same kinematics, however starting the first line on the side opposite to the first line of the previous layer, and shifting laterally in the opposite direction, so that the material deposit order is of the "1 to 4" type for one layer and "4 to 1" for the following layer.
  • the process must thus make it possible to manufacture large-sized parts, at manufacturing speeds greater than 500 cm3/h.
  • This device must make it possible to maintain a regularity of the deposition layer after layer thanks to great robustness, despite the high construction speed that can be achieved.
  • the invention makes it possible to meet the following constraints:
  • a variant consists in modifying the control in real time to adapt the modulation pattern to particular needs: several wires, change in the geometry of the bead deposited.
  • the possibility of adapting the modulation pattern of the laser beam to the different injected wires makes it possible to optimize the efficiency of the coupling and thus better control the fusion thereof, while ensuring the preheating of the part. upstream of the weld pool.
  • a specific injector is used making it possible to guide the different wires in the interaction zone according to the desired angles.
  • This injector comprises a body effectively cooled by a water circuit, and tips called 'contact tubes' screwed into this body and interchangeable which allow the wires to be injected as close as possible to the interaction zone.
  • the invention also relates to additive printing equipment operating according to this method.

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Abstract

La présente invention concerne un procédé de fabrication additive consistant à commander le déplacement sur la surface d'une pièce d'un équipement comportant au moins un laser dont le faisceau est focalisé sur la sortie d'une tête d'alimentation délivrant au moins un fil métallique d'un diamètre D, ledit équipement étant commandé pour déplacer la zone d'interaction du faisceau dudit laser avec ledit au moins un fil selon une trajectoire principale représentative de la géométrie de la pièce à fabriquer caractérisé en ce que ledit déplacement de la zone d'interaction est modulé par une modulation sur 2 axes selon une direction longitudinale parallèle au vecteur vitesse de ladite trajectoire principale et une direction transversale, normale au vecteur vitesse dans le plan focal, ladite déviation définissant une courbe balayée avec une vitesse supérieure à la vitesse de déplacement selon ladite trajectoire principale, ladite modulation sur 2 axes étant pilotée par un système de pilotage comportant des moyens de paramétrer pour chaque fabrication la loi de commande de ladite modulation sur 2 axes.

Description

DESCRIPTION
Titre : Procédé de dépôt de fil métallique fondu à l'aide d'un faisceau laser balayé sur la surface de la pièce
Domaine de l'invention
[0001] La présente invention concerne le domaine de la fabrication additive DED-fil ou dépôt de matière sous énergie concentrée (Directed Energy Deposition-Wire) consistant à fondre un matériau métallique sous forme de fil à l'aide d'une énergie thermique concentrée (laser, faisceau d'électrons et arc électrique) et déposé suivant une trajectoire déterminée afin de réaliser des cordons qui sont juxtaposés pour former une couche. Les couches de matière sont superposées jusqu'à l'obtention de la pièce finale dont la géométrie s'approche de l'objet final, mais qui nécessiteront toutefois d'être reprises en usinage.
[0002] le terme "fabrication additive" désigne la construction d'une pièce ou d'un produit en ajoutant de manière répétée des couches de matériau et en liant les nouvelles couches aux couches précédentes. Les exemples décrits peuvent être utilisés pour effectuer une fabrication additive en utilisant un fil (par exemple, un fil métallique, éventuellement un fil fourré, un fil à âme métallique, etc.) comme matériau, fondu par l'action de l'énergie d'un faisceau laser, et déposé pour former une nouvelle couche, qui se soude sur la couche précédente.
[0003] La conception d'une pièce commence par la création du modèle 3D à l'aide d'un logiciel de CAO. Le modèle numérique de la pièce est ensuite découpé en une multitude de couches, parallèles entre elles, par un logiciel de découpe, appelé slicer, représentant les différentes couches de matériau nécessaires à la fabrication de la pièce. La technique consiste à déposer du matériau sur un plateau ou un composant en cours de réparation à l'aide d'une buse montée sur un bras à plusieurs axes (généralement 4 à 6). Le matériau qui alimente la buse est fourni sous forme de poudre ou de fil. Lors du dépôt, une source de chaleur fait fondre le matériau simultanément, généralement à l'aide d'un laser, d'un faisceau d'électrons, d'un arc électrique ou encore d'un jet plasma. Cette procédure est répétée jusqu'à ce que les couches se soient solidifiées et aient créé ou réparé un objet.
[0004] Un faisceau laser (procédé WLAM pour 'Wire Laser Additive Manufactutring') assure la fusion locale du fil. [0005] Cette technique permet notamment la réparation ou recharge de pièces métalliques endommagées et la construction par dépôt sous énergie concentrée de pièces relativement grandes (une dimension dépassant le mètre) nécessitant un outillage minimal, peu coûteux et relativement peu de post-traitement. Les procédés DED permettent aussi de produire des composants avec des gradients de composition ou des structures composites constituées de plusieurs matériaux ayant des compositions et des structures différentes.
Etat de la technique
[0006] On connaît dans l'état de la technique la demande de brevet US2018021887 décrivant un procédé et un appareil pour réaliser le traitement pour la fabrication de couche d'une pièce tridimensionnelle avec un faisceau d'électrons, consistant à exposer la matière première à un faisceau d'électrons pour liquéfier la matière première ; déposer la matière première sur un substrat comme dépôt de bain de fusion, le dépôt ayant une région de bord avant dans un plan x-y avec une largeur de région de bord avant et une région de bord arrière dans le plan x-y avec une largeur de région de bord arrière sous au moins une première condition de traitement ; contrôler le dépôt de bain de fusion pour au moins une condition présélectionnée à l'aide de la détection de dispersion à partir d'un faisceau d'électrons de modulation simultanément avec l'étape de dépôt ; modifier automatiquement la première condition de traitement en une condition de traitement différente en fonction des informations obtenues à partir de l'étape de comparaison ; et répéter les étapes à un ou plusieurs seconds emplacements pour construire couche par couche, globalement le long d'un axe z qui est orthogonal au plan x-y, une pièce à travailler tridimensionnelle.
Ce document de l'art antérieur prévoit un faisceau laser oscillant effectuant une soudure en avançant sur le joint non pas dans un trajet de faisceau fixe, mais en déplaçant le trajet du faisceau autour de la ligne centrale à mesure que le faisceau avance. Dans un exemple, le faisceau laser est entraîné en rotation autour d'un axe vertical.
[0007] La demande de brevet JP2019155376 décrit un appareil de fabrication additive proposant d'injecter trois matériaux sous forme de fill. Le paragraphe [0026] précise qu'un prisme rotatif entraîne le faisceau en rotation pour irradier chacun des trois matériaux métalliques en forme de fil. [0008] On connaît aussi le brevet US9095928 décrivant système qui dirige un premier faisceau laser sur une surface d'une pièce pour créer un bain de fusion sur la surface, et un dispositif d'alimentation en fil qui fait avancer un article non durable jusqu'au bain de fusion de sorte que l'article non durable entre en contact avec le bain de fusion. Ce système comprend un second système de faisceau laser qui dirige un second faisceau laser sur l'article non durable avant que l'article non durable ne pénètre dans le bain, et un dispositif de commande qui commande une sortie de l'alimentation électrique et du second système de faisceau laser.
[0009] Le brevet EP3263269 concerne un appareil de soudage ou de rechargement dans lequel un ou plusieurs émetteurs de faisceaux d'énergie sont utilisés pour générer un large spot de faisceau transversal à un chemin de soudage ou de rechargement, et un ou plusieurs dévidoirs alimentent le fil au point pour créer un large cordon de soudage.
Inconvénients de l'art antérieur
[0010] Les solutions de l'art antérieur ne sont pas totalement satisfaisantes car les conditions locales de dépôt de matière ne sont pas constantes et stables d'un point de vue thermique et géométrique, ce qui entraîne des conséquences directes sur la qualité de la fusion entre les couches consécutives. On rencontre cette problématique dans des configurations où le déplacement selon la trajectoire principale présente des variations de vitesse conduisant à des zones de surchauffe ou de manque d'énergie et de fusion partielle, mais aussi en fonction de l'alignement du ou des fils par rapport à la direction de la trajectoire principale. Pour la fabrication d'une pièce par dépôt additif de fil fusible, cela entraîne l'apparition de défauts d'ordre géométriques ou métallurgiques, qui peuvent s'amplifier couche après couche, ou qui conduisent à des points de fragilité localisés.
[0011] Les documents de l'art antérieur proposent des solutions où le faisceau laser est dévié par un scanner modifiant la direction du faisceau laser pour une trajectoire oscillante.
Solution apportée par l'invention
[0012] L'invention concerne selon son acception la plus générale un procédé de fabrication additive présentant les caractéristiques énoncées par la revendication 1. [0013] Le procédé consiste à commander le déplacement sur la surface d'une pièce d'un équipement comportant au moins un laser dont le faisceau est focalisé sur la sortie d'une tête d'alimentation délivrant au moins un fil métallique d'un diamètre D, ledit équipement étant commandé pour déplacer la zone d'interaction du faisceau dudit laser avec ledit au moins un fil selon une trajectoire principale représentative de la géométrie de la pièce à fabriquer caractérisé en ce que ledit déplacement de la zone d'interaction est modulé par une modulation sur 2 axes selon une direction longitudinale parallèle au vecteur vitesse de ladite trajectoire principale et une direction transversale, normale au vecteur vitesse dans le plan focal, ladite déviation définissant une courbe balayée avec une vitesse supérieure à la vitesse de déplacement selon ladite trajectoire principale, ladite modulation sur 2 axes étant pilotée par un système de pilotage comportant des moyens de paramétrer pour chaque fabrication la loi de commande de ladite modulation sur 2 axes.
[0014] De préférence, Taxe de la tête d'alimentation du fil forme un angle compris entre 5 et 40° avec l'axe du faisceau laser.
[0015] Selon une variante, ladite tête d'alimentation du fil d'apport comporte une pluralité de sorties de fils d'apport convergeant vers une zone d'interaction correspondant à l'intersection entre la modulation du faisceau sur 2 axes et la surface de la pièce sur laquelle est déposé le cordon.
[0016] Selon une autre variante, on procède à l'injection d'au moins deux fils dans la zone d'interaction.
[0017] Avantageusement, ledit système de pilotage est basé sur un automate et une commande numérique et commande une modulation du faisceau laser et une modulation sur les différents fils injectés.
[0018] Selon un mode de mise en œuvre particulier, ledit au moins un fil métallique comporte au moins deux matériaux différents.
[0019] Selon un autre mode de réalisation, le déplacement de la zone d'interaction est commandé pour assurer un préchauffage en amont du bain de fusion à l'aide du faisceau non absorbé par les fils.
[0020] Avantageusement, le déplacement de la zone d'interaction est modulé par ladite modulation 2 axes selon une forme adaptée à l'injection des fils d'apport de manière à assurer le préchauffage de la zone comprenant le fil et la pièce en amont du bain de fusion, la fusion du ou des fils d'apport ainsi que l'entretien du bain de fusion. [0021] Selon une variante, le déplacement de la zone d'interaction est modulé par ladite modulation 2 axes selon une forme déterminée pour agir directement pendant le dépôt de matière sur la largeur du bain de fusion et ainsi les caractéristiques géométriques de la matière déposée.
[0022] Selon une autre variante, on injecte au moins deux fils d'apport aux compositions chimiques différentes.
[0023] Selon une autre variante, on injecte au moins deux fils d'apport de diamètres différents.
Description détaillée d'un exemple non limitatif de réalisation
[0024] La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, se référant aux dessins annexés illustrant des exemples non limitatifs de réalisation où :
La figure 1 représente une vue schématique de face de l'installation
La figure 2 représente une vue schématique de la zone de modulation
La figure 3 représente une vue schématique de la courbe fermée parcourue par le faisceau laser selon une première variante
La figure 4 représente une vue schématique de la courbe fermée parcourue par le faisceau laser selon une deuxième variante
La figure 5 représente le schéma de fabrication d'une éprouvette en T.
Principe général de l'invention
[0025] La présente invention vise à faciliter la fabrication sans recours à une enceinte sous vide de pièces de grandes dimensions, typiquement de plusieurs dizaines voire centaines de centimètres par fabrication additive, et/ou le rechargement pour la réparation des parties endommagées de telles pièces de grandes dimensions, et/ou l'ajout de protubérances fonctionnelles sur des pièces et la réalisation d'opérations de soudage avec apport de matière, avec une large gamme d'alliages métalliques sous forme de fils en bobines, à l'air libre ou sous atmosphère contrôlée à pression ambiante. Il s'agit notamment de fils d'aciers inoxydables, d'aciers faiblement et moyennement alliés, d'alliages de titane, de superalliages de nickel et de cobalt, d'alliages d'aluminiums ainsi que des bases cuivre, et de manière générales tous les matériaux conducteurs ou non, soudables, d'un point de vue opératoire, et disponibles sous forme de fil.
[0026] Compte tenu des dimensions de pièces réalisables et des alliages considérés, les secteurs visés principalement sont l'aéronautique, le spatial, la défense, le transport (y compris le ferroviaire et l'automobile), l'énergie (y compris le nucléaire, les énergies renouvelables) et la pétrochimie.
[0027] Typiquement, l'objectif de l'invention est de permettre de fabriquer des pièces de grandes dimensions, à des vitesses de fabrication supérieures à 500cm3/h. Ce dispositif doit permettre de conserver une régularité du dépôt couche après couche grâce à une grande robustesse, malgré la vitesse de construction élevée pouvant être atteinte.
[0028] L'invention porte plus particulièrement sur le fait que le déplacement du faisceau laser est commandé selon une trajectoire principale, et que ce faisceau est par ailleurs soumis à des déplacements périodiques de faible amplitude autour de la position médiane définie par la trajectoire principale. Elle se différencie de l'art antérieur par le fait que cette modulation n'est pas constante sur toute la trajectoire, mais que certaines caractéristiques de cette modulation varient dynamiquement pour prendre en compte les conditions du dépôt qui diffèrent en fonction de multiples paramètres, notamment liés à la trajectoire (rayon de courbure, point de rebroussement,...) et aux spécificités de la zone d'interaction avec le fil et le support (nombre de fils, température locale,...).
[0029] Cette modulation peut être définie préalablement pour chaque zone de la trajectoire principale, les modifications des paramètres de balayage étant commandés en fonction de la position de la tête de laser sur la trajectoire principale. Elle peut aussi être pilotée dynamiquement à partir des informations fournies par un capteur, par exemple une caméra optique et/ou thermique dirigée vers la zone d'interaction du laser avec le ou les fils fusibles, commandant les évolutions des paramètres de balayage.
[0030] L'invention, illustrée à titre d'exemple schématique par la figure 1, est basée sur l'utilisation d'un laser (2), de type laser fibre, laser disk ou laser diodes émettant un faisceau conduit par fibre optique jusqu'à un bloc optique (3) produisant un faisceau focalisé (9) qui interagit avec un fil (6) injecté latéralement par rapport au faisceau laser. Cette interaction permet de fondre ce fil grâce à l'utilisation d'une densité d'énergie suffisamment élevée (faisceau focalisé). [0031] Dans la famille de configurations préférée, le bloc optique (3), qui met en forme le faisceau laser de façon à ce qu'il interagisse avec le ou les fil (s) d'apport de matière fusible(s) et la pièce sur laquelle est effectué le dépôt, est déplacé en conservant une distance donnée (distance de travail fonction de la longueur de focalisation du système optique) par rapport à la surface de la pièce, selon une trajectoire (16) dite principale, suivant le tracé de la pièce fixée par le plan de fabrication additive ou de rechargement, avec une vitesse local V dans le plan (14) de la zone de travail, et sur une distance L correspondant au déroulé de la trajectoire fixée par le plan de fabrication ou de rechargement, tout en déplaçant le faisceau laser (9) dans le même temps et indépendamment de la trajectoire (16) dite principale, selon un axe médian (11) mobile normal au plan (14) de la zone de travail, le point d'intersection (15) entre cet axe (11) et ce plan (14) étant déplacé sur cette surface.
[0032] Le faisceau laser (9) est en outre dévié selon une trajectoire périodique (13) définissant une courbe fermée (13) s'inscrivant dans une zone d'interaction (4) entre le faisceau laser (9) et le ou les fil(s) (6), centré sur l'axe du faisceau (11).
[0033] L'invention porte sur le fait que les caractéristiques de la trajectoire périodique (13) de modulation par rapport à la trajectoire principale sont dynamiquement adaptées en fonction des caractéristiques locales de la trajectoire principale. Les paramètres de modulation qui sont pilotés en fonction des caractéristiques locale de la trajectoire concernent une ou plusieurs des caractéristiques comprenant :
La nature du motif (en cercle, en huit, en rectangle...), par exemple par sélection dans une base de motifs pré-enregistrés L'amplitude de la modulation La fréquence de la modulation Les dimensions du motif.
[0034] La ou les caractéristiques locales prises en compte pour piloter la modulation comprennent :
La direction de déplacement par rapport aux fils (6)
La géométrie de la trajectoire (courbure, droite, angle ou point singulier)
Le rayon de courbure
Le type de cordon (cordon seul, adossement à un cordon adjacent) La zone du cordon (début, fin)
La variation de vitesse de la trajectoire. [0035] Différents modes de pilotages peuvent être mis en œuvre :
Soit les paramètres des différentes configurations sont identifiés préalablement et stockés dans une base de données. Le système analyse les configurations rencontrées et utilise les paramètres préprogrammés en fonction de critères de sélection définis. Soit le système peut être équipés de capteurs qui analysent les conditions de l'interaction et de la géométrie de dépôt pour adapter de façon automatique les paramètres de modulation et les autres paramètres de procédé.
Dans les deux cas, le mode de modulation n'est pas constant mais dépend de la position sur la trajectoire principale.
[0036] Les paramètres de modulation sont pilotés et ajustés dynamiquement pour privilégier l'interaction faisceau/fil sur certains fils ou certaines portions de fils plutôt que d'autres afin de pouvoir mieux maîtriser et réguler le dépôt de matière, et contrebalancer des dissymétries et instabilités résultant du type de cordon, de la direction de déplacement, etc...
[0037] Cette variation des paramètres de modulation est activée pendant le dépôt pour tenir compte en temps réel des conditions réelles du dépôt
[0038] L'adaptation des paramètres de modulation, associée aux paramètres du procédé permet de :
Optimiser le couplage faisceau/fils/substrat
Assurer un meilleur rendement de dépôt
Améliorer le mouillage sur les bords du dépôt en contrôlant le dépôt d'énergie et son étalement
Améliorer la refusion sur les cordons adjacents
Optimiser la continuité géométrique du dépôt de matière
Ajuster les conditions aux changements rapides de la géométrie de la pièce à construire
Lutter contre l'apparition des défauts en stabilisant le couplage faisceau/matière.
Cinématique de l'installation
[0039] Le déplacement de la zone d'interaction (4) entre le faisceau laser (9) et le fil (6) (ou les fils lorsque l'installation prévoit l'alimentation avec plusieurs injecteurs de fils) est assurée par une combinaison de deux mouvements : Un déplacement principal, selon une trajectoire définie par la configuration de la pièce à réaliser, assuré par un bras robotisé ou un ensemble d'axes motorisés cartésiens assurant le déplacement de la platine (1) supportant le laser (2), le bloc optique (3) et la bobine d'alimentation ainsi que la tête d'alimentation en fil (6) Un déplacement de modulation, selon une courbe fermée, assuré par un galvano- scanner ou par un ensemble motorisé (8) commandant un déplacement du laser (1) et du bloc optique (3) par rapport à la platine (1), selon deux axes perpendiculaires à l'axe du faisceau laser (9).
[0040] Le déplacement principal est déterminé par la géométrie de la pièce à réaliser, de manière connue à partir d'un fichier de définition numérique de la pièce par exemple permettant de générer les trajectoires de dépôts des différentes couches selon un chemin optimisé.
[0041] Préalablement à l'opération de dépôt, la définition numérique de la pièce est tranchée par une multitude de coupes parallèles entre elles. Ces coupes représentent les couches de matière à déposer, et l'épaisseur de chacune correspond à l'épaisseur des cordons déposés. Dans chacune de ces couches, le déplacement de la tête de dépôt est calculé pour couvrir la surface à l'aide de cordons de matière juxtaposés. Tous ces déplacements sont enregistrés dans un fichier constituant le programme pièce, ensuite lu par la commande numérique de la machine, qui pilote les différents axes motorisés de la machine.
[0042] Typiquement, la vitesse V de déplacement de la tête de dépôt est de l'ordre de quelques dizaines de centimètres par minutes, par exemple de 0,4 à 0,6 mètres par minute. Elle peut atteindre plusieurs mètres par minutes en fonction de la dimension souhaitée des cordons.
[0043] Le second déplacement dit de modulation, s'effectue au voisinage du point de fusion du ou des fils, selon une courbe, notamment une courbe fermée, définie par une forme pilotable, avec une amplitude longitudinale selon la direction de déplacement principal, et une amplitude transversale, selon la direction perpendiculaire à la direction de déplacement principal, dans le plan défini par la couche en formation. Typiquement, la trajectoire de modulation présente deux ou plusieurs points singuliers où la vitesse selon la direction de déplacement principal est nulle. A titre d'exemple, le diamètre du fil est compris entre 1 et 4 millimètres, typiquement de 1,6 mm. [0044] Ce déplacement de modulation présente des séquences de déplacement dans le même sens que la direction du déplacement principal alternant avec des séquences de déplacement dans le sens opposé à la direction du déplacement principal, pour chauffer la pièce en amont de la zone de dépôt de matière et ainsi amorcer le bain de fusion, permettant d'optimiser le couplage de l'énergie et le cycle thermique du procédé, et optimiser le cycle de température au moment de la dépose de matière sur la pièce ou entretenir le bain de fusion. [0045] La courbe de ce déplacement de modulation prend typiquement la forme d'un « 8 » ou d'un cercle ou toute autre forme de motif. Ce déplacement de modulation est décrit par le faisceau laser à une fréquence réglable de plusieurs centaines de hertz, typiquement 250Hz et plus généralement entre 200 et 300 Hz.
[0046] La variante « multifil » de l'invention présente plusieurs applications :
Obtention d'un dépôt multidirectionnel, avec 3 ou 4 fils, pour réaliser un dépôt de matière dans toutes les directions, en gardant une modulation de faisceau normal à la surface de dépôt. Hormis la tête scanner de modulation du faisceau, cette configuration ne nécessite pas de systèmes optiques complexes, comme cela est le cas avec les têtes utilisant un fil normal à la surface et un faisceau coaxial ou plusieurs faisceaux inclinés par rapport au fil
Augmentation du taux de dépôt sans avoir à augmenter les vitesses de fil qui permet de garantir davantage de stabilité pour l'injection du fil et le procédé Possibilité d'utiliser des fils plus fins qui fondent plus facilement sous le faisceau Apport de matière réparti sur le bain de fusion
Possibilité de jouer sur la vitesse d'avance de chaque fil en fonction de la direction de déplacement et de la configuration géométrique du cordon de matière déposée, en association avec les caractéristiques du profil de modulation. Ainsi les conditions opératoires sur un cordon de contour, ou un cordon de remplissage seront différentes et pourront être optimisées en ayant recours à cette option.
Description d'un exemple de réalisation de l'invention
[0047] Le dispositif selon un exemple de réalisation de l'invention illustré par les figures 1 et 2 est constitué par une platine (1) actionnée par un bras robotisé. [0048] Cette platine (1) supporte une fibre optique transportant le faisceau laser est connectée à un module optique comprenant un scanner et des optiques de mise en forme du faisceau produit par une source laser (2) de forte puissance (plusieurs kW, jusqu'à plus de lOkW) associée à une optique (3) pour focaliser sur le fil en un point focal (4) correspondant à la zone d'interaction entre le faisceau laser et un fil métallique délivré par un système d'alimentation (7).
[0049] Le système d'alimentation (7) comporte un système motorisé piloté permettant de commander l'avancement du fil (6) jusqu'au système d'injection (5) avec une vitesse maximale de quelques mètres par minute, typiquement 4 à 6 mètres par minute voire 10 m/min. Elle comporte aussi une buse de refroidissement (15) et de diffusion d'un gaz neutre ou inerte pour protéger le bain de fusion de l'oxydation.
[0050] Un système de pilotage reposant sur l'utilisation d'une commande numérique permet de piloter à l'aide d'un scanner (8) la modulation du faisceau dans le plan focal (4) du système optique (2,3) suivant un motif et une fréquence programmée, et de déplacer cet ensemble suivant une trajectoire programmée, constituée de cordons juxtaposés permettant de couvrir toute la surface de la couche.".
[0051] La fonction de ce modulation est d'élargir la zone d'apport d'énergie, en venant fondre le fil (6) lors du passage sur celui-ci dans la zone d'interaction (4), tout en entretenant un bain de fusion dont la largeur est fixée par la dimension transversale par rapport au sens d'avance assuré par le bras robotisé.
[0052] L'amplitude de ce modulation, avec le système utilisé dans l'exemple décrit, atteint 10 mm, et les motifs sont réalisés avec une fréquence de 250Hz.
[0053] Le scanner (8) commande une trajectoire en forme de cercle, de 8, d'infini ou encore de tirets, présentant deux ou trois points singuliers (10 à 12) comme illustrés par les figures 3 et 4.
[0054] Cette fonction de modulation permet aussi de commencer à fondre superficiellement la surface de la pièce en amont du bain de fusion où s'effectue le dépôt du fil fondu et de délimiter plus précisément les bords du cordon de matière déposée.
[0055] Le fil (6) est injecté latéralement par rapport au faisceau (9), avec un angle a, d'environ 30° ou moins. Cette injection latérale couplée au modulation du faisceau offre plusieurs avantages : Cette configuration est peu sensible aux défauts d'alignement faisceau/fil. Même si le fil est un peu décalé, le faisceau pourra quand même le fondre avec la même efficacité.
Il devient possible d'utiliser plusieurs injections de fil (6, 16, 26) simultanées, dans la modulation du faisceau focalisé et permettant de fondre tous ces fils en même temps afin d'alimenter un même bain de fusion.
[0056] De cette utilisation de plusieurs fils fondus simultanément et d'une modulation contrôlée du faisceau laser (9), découlent plusieurs avantages :
Conserver le fil d'apport dans l'interaction du faisceau laser nécessite moins de finesse de réglage qu'avec un faisceau fixe, permettant de renforcer la souplesse opératoire du procédé,
Permettre l'utilisation de plusieurs fils d'apports en simultanés dans l'interaction du faisceau laser pour augmenter la vitesse de construction,
[0057] Dans le cas d'une utilisation en fil d'apport multiple, un « peigne » composé de plusieurs fil (6, 16, 26) peut être contrôlé individuellement de manière à sélectionner les fils souhaités dans l'interaction afin de modifier la morphologie du dépôt durant l'utilisation du procédé : par exemple dans le cas de cordons côte à côte, surtout quand les cordons sont larges, et afin d'assurer une meilleure géométrie de surface.
[0058] Le peigne constitué de plusieurs injections de fils peut être composé de fils de diamètres différents pour maitriser plus précisément la fusion du métal d'apport suivant les bords ou le centre du bain, et en fonction des paramètres de modulation.
[0059] Ces injections simultanées peuvent utiliser des natures de fil métallique différentes, permettant de faire varier les compositions chimiques en jouant sur les vitesses d'injection de chaque fil. Il devient alors possible de réaliser des gradients de matériaux, au fur et à mesure de la construction et avec une grande réactivité. En effet cette technique est également possible avec le procédé DED-poudre (exemple CLAD(r)) mais celui-ci souffre d'une inertie due au transport de la poudre dans les tuyaux limitant les variations de composition pendant la réalisation d'un cordon. Cette limitation est levée en utilisant l'injection simultanée différentielle des fils.
[0060] La modulation du faisceau sur le ou les fils permet également d'utiliser des fils fourrés, ce qui permet de pouvoir travailler avec des fils à la composition adaptée au procédé, permettant par exemple de renforcer certains éléments d'alliage en cas de volatilisation pendant l'interaction avec le faisceau mais aussi d'étendre l'éventail des possibilités des fils utilisables, avec par exemple des matériaux non tréfilables,
[0061] Le pilotage des déplacements de la modulation permet d'améliorer la régularité et la stabilité du bain de fusion et de faire varier la largeur du bain de fusion par l'ajustement de l'amplitude de modulation ainsi que la hauteur du bain de fusion en fonction des paramètres de modulation de la vitesse de déplacement selon la trajectoire principale.
[0062] Suivant la position du fil dans le motif de modulation, la partie du faisceau non absorbée par le fil préchauffe la pièce ou la couche précédente en amont du bain de fusion. [0063] Le travail avec une grande focale offre l'avantage de travailler avec une grande profondeur de champ. Cette profondeur de champ apporte une grande souplesse opératoire suivant l'axe Z : les caractéristiques du faisceau changent peu sur une plage importante permettant ainsi de conserver les performances pour la fusion du fil et son dépôt sur la couche précédente. C'est un point important car dans ce cas des variations de profils n'auront qu'une influence limitée sur les caractéristiques du dépôt.
[0064] Enfin, cette configuration présente l'avantage de dégager complètement la zone d'interaction permettant ainsi :
D'utiliser des capteurs pour suivre l'interaction, mesurer les dépôts en temps réel, et sans que lesdits capteurs ne soient trop proches de l'interaction, les éloignant ainsi des sources de pollution (projections, fumées, ...)
D'éloigner les optiques de focalisation et d'avoir ainsi la place de mettre en œuvre des moyens de protection efficaces pour garantir leur durée de vie. Par ailleurs ces moyens de protection sont souvent à base de lame d'air, qui peuvent perturber la qualité de la protection gazeuse du cordon déposé.
D'installer des moyens d'aspiration efficaces pour les fumées émises
D'avoir un encombrement limité idéal pour atteindre des zones difficiles d'accès, par exemple dans le cas de géométries compliquées ou de pièces demandant beaucoup de moyens de bridage.
Exemple de réalisation
[0065] La figure 4 illustre la mise en œuvre de l'invention pour la fabrication additive d'une pièce-éprouvette présentant une section transversale en forme de « T ». Les flèches horizontales (20) représentent les trajectoires principales pour former une couche de l'une des barres de l'éprouvette, avec le numéro d'ordre de dépose, et les flèches verticales (30) représentent les trajectoires principales pour former une couche de l'autre barre de l'éprouvette.
[0066] Les caractéristiques de l'installation selon l'invention, pour cette réalisation mais également pour d'autres configurations de pièces à fabriquer sont les suivantes :
Matériau : Inconel 625
Taux de construction 505cm3/h
Puissance du laser utilisée : 7500W
Vitesse des trajectoires : 0.5m/min
Vitesse de dévidage du fil : 4.2m/min
Diamètre du fil utilisé : 1.6mm
Angle du fil d'apport : 59°
Longueur libre du fil : 20mm
Angle d'incidence du faisceau : Normal à la surface
Hauteur de couche : 2.2mm
Largeur d'un cordon : 12mm
Décalage latéral entre cordons : 6.4mm
Motif de modulation : Huit
Amplitude de modulation : 6mm Fréquence de modulation : 250Hz
[0067] Pour l'exemple décrit, les dimensions de l'éprouvette sont : a. Hauteur : 80mm, b. Longueur des parois : 250mm c. Epaisseur des parois : 30mm
[0068] La trajectoire principale comprend des déplacements parallèles (20), dans l'exemple décrit un premier déplacement rectiligne dans un sens, sur une distance de 220 millimètres, puis un décalage selon la direction perpendiculaire, d'un pas de 6,4 mm et un retour en direction opposée, faisceau éteint, de 220 millimètres, et réitération pour couvrir la largeur de la branche en cours de réalisation.
[0069] Ensuite, la couche de la branche complémentaire est réalisée, avec des cycles équivalents, avec un espacement de 5 mm. [0070] Ensuite, la tête de dépôt est décalée d'un incrément de 2.2m dans la direction normale à la surface de la couche déposée pour fabriquer la couche suivante, avec la même cinématique, en démarrant toutefois la première ligne du côté opposé à la première ligne de la couche précédente, et en décalant latéralement dans le sens opposé, de telle sorte que l'ordre de dépose de matière soit de type « 1 à 4 » pour une couche et « 4 à 1 » pour la couche suivante.
Performances atteintes avec l'invention
[0071] Le procédé doit ainsi permettre de fabriquer des pièces de grandes dimensions, à des vitesses de fabrication supérieures à 500cm3/h. Ce dispositif doit permettre de conserver une régularité du dépôt couche après couche grâce à une grande robustesse, malgré la vitesse de construction élevée pouvant être atteinte.
[0072] L'invention permet de répondre aux contraintes suivantes :
• Permettre une vitesse de construction élevée (supérieure à 500cm3/h)
• Réaliser des pièces de dimensions importantes (jusqu'à plusieurs mètres de longueur et plusieurs mètres de hauteur et largeur) grâce à un empilage de cordons successifs.
• Rendre le procédé très stable avec une grande reproductibilité des cordons déposés et de leurs dimensions
• Rendre possible la surveillance et le contrôle du procédé grâce à l'intégration de capteurs optiques et non optiques
• Rendre le procédé robuste et tolérant, permettant le dépôt de nombreuses couches sans aucune intervention
• Avoir une excellente gestion des aspects thermiques afin de pouvoir envisager des constructions sur des temps très longs en continu (plusieurs jours), et en limitant autant que possible les arrêts
• Limiter les contraintes de mise au point et réglage
• Limiter l'encombrement du système dans la zone d'interaction
• Permettre l'adaptation d'un système d'injection de fil multiple
• Permettre l'utilisation de fil de diamètres compris entre 0.8mm et 3.2mm.
• Limiter le nombre de consommables liés à l'utilisation du procédé
• Rendre le procédé facilement automatisable • Permettre le montage du procédé sur un système robotisé
• Pouvoir utiliser des niveaux de puissance laser allant jusqu'à plus de 10KW.
Injection multi-fils
[0073] Il est avantageux d'injecter deux ou plusieurs fils dans la zone d'interaction afin de pouvoir fondre davantage de matière avec le même faisceau balayé. Cela permet d'augmenter la vitesse de construction, de plus le fait d'utiliser 2 fils en même temps permet d'avoir des vitesses d'avance du fil plus faibles qu'avec un seul fil et de mieux les contrôler, mais aussi de pouvoir étaler l'apport de matière sur la largeur du bain de fusion ce qui apporte une meilleure stabilité au procédé, et enfin cela permet de mieux utiliser l'énergie apportée par le faisceau en optimisant le rapport entre la surface totale balayée et la surface d'interaction entre le faisceau et les fils, tout en préservant la création et l'entretien du bain de fusion.
Injection de fils d'apport de natures différentes
[0074] En injectant différents fils d'apport aux compositions chimiques différentes, on peut agir sur la chimie de zone fondue. Ainsi, en jouant sur les vitesses d'avance de chacun des fils, il devient possible de faire varier la composition chimique de la zone fondue et ainsi de créer des gradients de composition et par conséquent de propriétés directement pendant la construction de la pièce.
[0075] En injectant des fils de diamètre différents de façon à apporter des quantités de matière adaptées dans chaque partie du bain de fusion. Ainsi avec 3 fils, on peut apporter des fils de plus gros diamètres sur les bords de la zone fondue pour pallier l'affaissement de la matière et les points de rebroussement où le faisceau reste plus longtemps, et un fil de plus petit diamètre au centre de la zone fondue où les vitesses de passage du faisceau sont les plus grandes.
Variante optionnelle
[0076] Une variante consiste à modifier en temps réel le pilotage pour adapter le motif de modulation à des besoins particuliers : plusieurs fils, changement de la géométrie du cordon déposé. [0077] En particulier, la possibilité d'adapter le motif de modulation du faisceau laser aux différents fils injectés permet d'optimiser l'efficacité du couplage et ainsi mieux piloter la fusion de ceux-ci, tout en assurant le préchauffage de la pièce en amont du bain de fusion.
[0078] En cas de mise en œuvre de plusieurs fils d'apport, un injecteur spécifique est utilisé permettant de guider les différents fils dans la zone d'interaction suivant les angles souhaités. Cet injecteur comporte un corps refroidi efficacement par un circuit d'eau, et des embouts appelés 'tubes contact' vissés dans ce corps et interchangeables qui permettent d'injecter les fils au plus près de la zone d'interaction.
[0079] L'invention concerne aussi un équipement d'impression additive fonctionnant selon ce procédé.

Claims

Revendications
1 - Procédé de fabrication additive consistant à commander le déplacement sur la surface d'une pièce d'un équipement comportant au moins un laser (2) dont le faisceau (9) est focalisé sur la sortie d'une tête d'alimentation délivrant au moins un fil métallique (6) d'un diamètre D, ledit équipement étant commandé pour déplacer la zone d'interaction du faisceau (9) dudit laser (2) avec ledit au moins un fil (6) selon une trajectoire principale représentative de la géométrie de la pièce à fabriquer caractérisé en ce que ledit déplacement de la zone d'interaction est modulé par une modulation sur 2 axes selon une direction longitudinale parallèle au vecteur vitesse de ladite trajectoire principale et une direction transversale, normale au vecteur vitesse dans le plan focal, ladite déviation définissant une courbe balayée avec une vitesse supérieure à la vitesse de déplacement selon ladite trajectoire principale, les paramètres de ladite modulation sur 2 axes étant déterminés dynamiquement par un système de pilotage.
2 - Procédé de fabrication additive selon la revendication 1 caractérisé en ce que les paramètres de ladite modulation sont déterminés en fonction des caractéristiques locales de la trajectoire concernent une ou plusieurs des caractéristiques comprenant :
La nature du motif
L'amplitude de la modulation La fréquence de la modulation Les dimensions du motif.
3 - Procédé de fabrication additive selon la revendication 1 caractérisé en ce que la ou les caractéristiques locales prises en compte pour piloter la modulation comprennent :
La direction de déplacement par rapport aux fils (6)
La géométrie de la trajectoire (courbure, droite, angle ou point singulier) Le rayon de courbure
Le type de cordon (cordon seul, adossement à un cordon adjacent) La zone du cordon (début, fin)
La variation de vitesse de la trajectoire. 4 - Procédé de fabrication additive selon la revendication 2 caractérisé en ce que les paramètres des différents motifs sont identifiés préalablement et stockés dans une base de données et sélectionnés en fonction des variations des caractéristiques du dépôt de matière pendant le déplacement selon la trajectoire principale.
5 - Procédé de fabrication additive selon la revendication 2 caractérisé en ce que les paramètres des différents motifs sont identifiés préalablement et stockés dans une base de données et sélectionnés en fonction de l'analyse automatique en temps réel des conditions de l'interaction et de la géométrie de dépôt pour adapter les paramètres de modulation.
6 - Procédé de fabrication additive selon la revendication 2 caractérisé en ce que les paramètres des différents motifs appliqués pendant le procédé de fabrication ou de rechargement sont calculés par des algorithmes en temps réel en fonction de l'analyse automatique en temps réel des conditions de l'interaction et de la géométrie de dépôt afin d'adapter les paramètres de modulation.
7 - Procédé de fabrication additive selon la revendication 1 caractérisé en ce que Taxe de la tête d'alimentation du fil forme un angle compris entre 5 et 40° avec l'axe du faisceau laser.
8 - Procédé de fabrication additive selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que ladite tête d'alimentation du fil d'apport comporte une pluralité de sorties de fils (6) d'apport convergeant vers une zone d'interaction correspondant à l'intersection entre la modulation du faisceau sur 2 axes et la surface de la pièce sur laquelle est déposé le cordon.
9 - Procédé de fabrication additive selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'on procède à l'injection d'au moins deux fils dans la zone d'interaction.
10 - Procédé de fabrication additive selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit système de pilotage est basé sur un automate et une commande numérique et commande une modulation du faisceau laser et une modulation sur les différents fils injectés. 11- Procédé de fabrication additive selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit au moins un fil métallique comporte au moins deux matériaux différents.
12 - Procédé de fabrication additive selon la revendication 1 caractérisé en ce que le déplacement de la zone d'interaction est commandé pour assurer un préchauffage en amont du bain de fusion à l'aide du faisceau non absorbé par les fils.
13 - Procédé de fabrication additive selon la revendication 1 caractérisé en ce que le déplacement de la zone d'interaction est modulé par ladite modulation selon une forme adaptée à l'injection des fils d'apport de manière à assurer le préchauffage de la zone comprenant le fil et la pièce en amont du bain de fusion, la fusion du ou des fils d'apport ainsi que l'entretien du bain de fusion.
13 - Procédé de fabrication additive selon la revendication 1 caractérisé en ce que le déplacement de la zone d'interaction est modulé par ladite modulation 2 axes selon une forme déterminée pour agir directement pendant le dépôt de matière sur la largeur du bain de fusion et ainsi les caractéristiques géométriques de la matière déposée.
14 - Procédé de fabrication additive selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'on injecte au moins deux fils d'apport aux compositions chimiques différentes.
15 - Procédé de fabrication additive selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'on injecte au moins deux fils d'apport de diamètres différents.
16 - Equipement de fabrication additive comportant au moins un laser (2) dont le faisceau (9) est focalisé sur la sortie d'une tête d'alimentation délivrant au moins un fil métallique (6) d'un diamètre D, ledit équipement étant commandé par un système de pilotage pour déplacer la zone d'interaction du faisceau (9) dudit laser (2) avec ledit au moins un fil (6) selon une trajectoire principale représentative de la géométrie de la pièce à fabriquer caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour commander les déplacement dudit au moins un laser déplacement de la zone d'interaction avec une une modulation sur 2 axes selon une direction longitudinale parallèle au vecteur vitesse de ladite trajectoire principale et une direction 21 transversale, normale au vecteur vitesse dans le plan focal, ladite modulation définissant une courbe balayée avec une vitesse supérieure à la vitesse de déplacement selon ladite trajectoire principale, les paramètres de ladite modulation sur 2 axes étant déterminés dynamiquement par ledit système de pilotage.
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