CA2892848C - Procede de fabrication d'une piece par fusion de poudre, les particules de poudre arrivant froides dans le bain - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un procédé de fabrication d'une pièce comprenant les étapes suivantes : (a) On fournit un matériau sous forme de particules de poudre (60), (b) On chauffe une première quantité de la poudre à une température supérieure à la température de fusion TF de cette poudre à l'aide d'un faisceau de haute énergie (95), et on forme à la surface d'un support (80) un premier bain comprenant cette poudre fondue et une portion de ce support (80), (c) On chauffe de même une deuxième quantité de la poudre, et on forme à la surface du support (80) un deuxième bain comprenant cette poudre fondue en aval du premier bain, (d) On répète l'étape (c) jusqu'à former une première couche (10) de la pièce sur le support (80), (e) On chauffe de même une [n]ième quantité de la poudre, et on forme un [n]ième bain comprenant en partie cette poudre fondue au-dessus d'une portion de la première couche (10), (f) On chauffe de même une [n+1]ième quantité de la poudre, et on forme un [n+1]ième bain comprenant en partie cette poudre fondue en aval du [n]ième bain au-dessus d'une portion de la première couche (10), (g) On répète l'étape (f) de façon à former une deuxième couche (20) de la pièce au-dessus de la première couche (10), (h) On répète les étapes (e) à (g) pour chaque couche située au dessus d'une couche déjà formée jusqu'à ce que la pièce soit sensiblement sous sa forme finale. Les particules (60) de poudre arrivent dans chacun des bains à une température très inférieure à la température du bain.

Description

PROCEDE DE FABRICATION D'UNE PIECE PAR FUSION DE POUDRE, LES PARTICULES DE POUDRE ARRIVANT FROIDES DANS LE BAIN
La présente invention concerne le domaine de la fabrication de pièces par fusion de poudre au moyen d'un faisceau de haute énergie (faisceau laser, faisceau d'électrons,...).
L'invention concerne plus particulièrement un procédé comprenant les étapes suivantes :
(a) On fournit un matériau sous forme de particules de poudre formant un faisceau de poudre, (b) On chauffe une première quantité de cette poudre à une température supérieure à la température de fusion TF de cette poudre à l'aide d'un faisceau de haute énergie, et on forme à la surface d'un support un premier bain comprenant cette poudre fondue et une portion de ce support, (c) On chauffe une deuxième quantité de cette poudre à une température supérieure à sa température de fusion TF à l'aide de ce faisceau de haute énergie, et on forme à la surface du support un deuxième bain comprenant cette poudre fondue et une portion de ce support en aval de ce premier bain, (d) On répète l'étape (c) jusqu'à former une première couche de cette pièce sur ce support, (e) On chauffe une [n]-ième quantité de cette poudre à une température supérieure à sa température de fusion TF à l'aide d'un faisceau de haute énergie, et on forme un [n]-ième bain comprenant en partie cette poudre fondue au dessus d'une portion de cette première couche, (f) On chauffe une [n+1]-ième quantité de cette poudre à une température supérieure à sa température de fusion TF à l'aide de ce faisceau de haute énergie, et on forme un [n+1]-ième bain comprenant en partie cette poudre fondue en aval dudit [n]-ième bain au dessus d'une portion de cette première couche, (g) On répète l'étape (f) de façon à former une deuxième couche de la pièce au-dessus de ladite première couche,

2 (h) On répète les étapes (e) à (g) pour chaque couche située au dessus d'une couche déjà formée jusqu'à ce que la pièce soit sensiblement sous sa forme finale.
Dans le procédé ci-dessus, il faut [n-1] quantités de poudre pour former la première couche.
On connaît des procédés qui permettent d'obtenir des pièces mécaniques de forme complexe en trois dimensions (3D). Ces procédés construisent une pièce couche par couche jusqu'à reconstituer la forme désirée de cette pièce. Avantageusement, la pièce peut être reconstituée directement à partir du fichier CFAO déduit du traitement des données de son fichier graphique CAO en 3D au moyen d'un pilotage par ordinateur de la machine qui forme ainsi l'une sur l'autre des couches successives de matière fondue puis solidifiée, chaque couche étant constituée de cordons juxtaposés ayant une taille et une géométrie définie à partir du fichier CFAO.
Les particules constituant la poudre sont par exemple métalliques, intermétalliques, céramiques, ou polymères.
Dans la présente demande, dans le cas où la poudre est un alliage métallique, la température de fusion TF est une température comprise entre la température de liquidus et la température de solidus pour la composition donnée de cet alliage.
Le support de construction peut être une partie d'une autre pièce sur laquelle on désire rajouter une fonction supplémentaire. Sa composition peut être différente de celle des particules de poudre projetée et ainsi posséder une température de fusion différente.
Ces procédés sont notamment la projection laser (en anglais "Direct Metal Deposition" ou DMD), la "fusion sélective par laser" (en anglais "Selective Laser Melting" ou SLM), et la "fusion par faisceau d'électrons"
(en anglais "Electron Beam Melting" ou EBM).
Le fonctionnement du procédé DMD est expliqué ci-dessous en référence aux figures 2, 4, et 5.
On forme, sous protection locale ou dans une enceinte en surpression ou en dépression régulée de gaz inerte, une première couche 10 de matériau par projection de particules de poudre de ce matériau sur un support 80, au travers d'une buse 190. Cette buse 190 émet, simultanément à la projection de particules 60 de poudre, un faisceau

3 laser 95 qui provient d'un générateur 90. Le premier orifice 191 de la buse 190 par lequel la poudre est projetée sur le support 80 est coaxial au second orifice 192 par lequel le faisceau laser 95 est émis, de telle sorte que la poudre est projetée dans le faisceau laser 95. La poudre forme un cône de particules, ce cône étant creux et présentant une certaine épaisseur (faisceau de poudre 94 en figure 4), et le faisceau laser 95 est conique.
On définit le plan de travail P comme étant le plan contenant la surface sur laquelle la couche est en construction/en formation.
Pour la construction de la première couche, cette surface est la face supérieure (libre) So du support 80. Pour la construction de la [n+1]-ièrne couche, cette surface est la face supérieure (libre) de la [n]-ième couche (avec n entier, nk1).
Le faisceau laser 95 forme un bain 102 sur le support 80 par fusion de la région du support 80 exposée au faisceau laser. La poudre alimente le bain 102 dans lequel elle parvient à l'état fondu, la poudre ayant été
fondue durant son trajet dans le faisceau laser avant d'arriver dans le bain.
Alternativement, la buse 190 et le point focal laser peuvent être réglés et/ou positionnés de telle sorte que la poudre de distribution de tailles donnée, ne passe pas par exemple suffisamment de temps dans le faisceau laser 95 pour que l'ensemble de ses particules de tailles différentes soient complètement fondues, et fondent en arrivant dans le bain 102 préalablement formé sur la surface du support 80 par fusion de la région du support 80 exposée au faisceau laser 95.
On définit la distance de travail WD comme la distance entre la sortie de la buse 190 et le plan de travail P.
Sur la distance de travail WD considérée, la poudre peut également ne pas être fondue par le faisceau laser 95 ou ne l'être que partiellement parce que la taille de toutes ou certaines des particules constituant la poudre est trop importante pour que celles-ci soient fondues. En effet, d'après la figure 3, plus le diamètre moyen Dp des particules de poudre est faible, plus leur vitesse de chauffe est importante, mais plus leur maintien au palier de fusion est court et leur refroidissement est rapide. Par ailleurs, la figure 3 démontre que plus la distribution des tailles est étroite,

4 plus l'ensemble des particules de la poudre arrivent fondues dans le bain pour une configuration de travail donnée.
Dans tous les cas, les particules de poudre sont chauffées de par leur passage dans le faisceau laser 95 avant d'alimenter le bain.
Tandis que le faisceau laser 95 (ou le support 80) se déplace vers l'aval, le bain 102 est entretenu et se solidifie de proche en proche pour former un cordon de matière solidifiée 105 sur le support 80. On poursuit le processus pour former un autre cordon solidifié sur le support 80, cet autre cordon étant par exemple juxtaposé au premier cordon. Ainsi, par déplacement de la buse 190 ou du support 80 dans un plan parallèle au plan de travail P précédent, on dépose sur le support 80 une première couche 10 de matière qui forme en se solidifiant un premier élément 15 d'un seul tenant dont la géométrie est conforme à celle définie par le fichier CFAO.
On effectue ensuite un second balayage de l'ensemble buse 190/
faisceau laser 95, afin de former de façon similaire une deuxième couche de matière au dessus du premier élément 15. Cette deuxième couche 20 forme un deuxième élément consolidé 25, l'ensemble de ces deux éléments 15 et 25 formant un bloc d'un seul tenant. Les bains 102 formés 20 sur le premier élément 15 lors de la construction de cette deuxième couche 20 comprennent en général au moins une partie du premier élément 15 qui a été fondue par exposition au faisceau laser 95, et les particules de la poudre alimentent les bains 102.
On considère le repère constitué par l'axe vertical Zo perpendiculaire à la surface supérieure So du support, et par la surface So du support. Ce repère est attaché au support 80 ou plus exactement à la pièce en construction dont le plan de travail P est défini par la surface So du support lors du dépôt de la première couche de matière ou par la surface supérieure de la dernière couche qui vient d'être déposée.
Pour une couche en général, le plan de travail P n'est pas nécessairement parallèle à la surface So. L'axe Z défini comme étant perpendiculaire au plan de travail P, n'est donc pas nécessairement parallèle à l'axe Zo.
Entre deux couches successives, la buse se déplace suivant l'axe Z
d'une valeur AZ égale théoriquement à la hauteur de matière Happ réellement déposée qui doit être constante (indépendamment de la trajectoire de la buse) et suffisamment importante dans le cas d'une construction optimale et stable (figures 4 et 5). La figure 5 est une coupe transversale du bain liquide formé en partie dans le support, et montre la forme de ce bain.

5 La surface So du support 80 est le plan de hauteur nulle. Aussi, lors de la construction de la première couche, un plan parallèle à So dont une partie est contenue dans ce support ou en-dessous de ce support (en référence à l'axe Zo) est de hauteur négative, et un plan parallèle à So dont une partie est au-dessus de la surface So du support (en référence à
l'axe Zo) est de hauteur positive.
Un plan de travail P donné relatif à la construction d'une [n]-ième couche sera au-dessus d'un autre plan de travail attaché à une couche inférieure s'il a une hauteur positive, supérieure à la hauteur de cet autre plan.
Dans ce repère lié au support 80 et à la pièce, la deuxième couche est construite sur un plan de travail P qui est situé au-dessus du plan de travail de la première couche 10, ces deux plans étant distants de AZ
mesuré selon l'axe Z perpendiculaire au plan de travail P.
Dans le cas général, le plan de travail d'une couche supérieure peut 20 ne pas être parallèle au plan de travail de la couche inférieure précédente, dans ce cas l'axe Z de la couche supérieure fait un angle non-nul avec l'axe Z du plan de travail de la couche inférieure, et la distance AZ, mesurée selon ce dernier axe Z au-dessus de chaque point de la couche inférieure, est une valeur moyenne.
On poursuit ensuite ce processus d'élaboration de la pièce couche par couche en ajoutant des couches supplémentaires au-dessus de l'ensemble déjà formé.
La figure 4, qui représente l'art antérieur, montre plus en détail la configuration du faisceau laser 95 et du faisceau de poudre 94. Le faisceau laser 95 sort de la buse 190 en divergeant d'un angle 2 5 depuis son point focal FL (situé dans la partie inférieure de la buse 190) et illumine une région du support 80, contribuant à y créer un bain 102.
Le faisceau de poudre 94 sort de la buse 190 en convergeant selon un angle 2 5 vers son point focal Fp qui se situe à l'intérieur du faisceau laser 95, et juste sur (ou au-dessus de) la surface du support 80 (plan de travail P), de façon à ce que les particules de poudre 60 passent un

6 maximum de temps dans le faisceau laser 95 pour être chauffées.
L'avantage d'une large interaction laser/poudre en amont du bain est d'engendrer à la fois un taux de déposition important et une faible dilution qui sont fréquemment recherchés dans le cas du rechargement (réparation en surface de pièces usées) et du revêtement de dépôts durs.
On définit le rendement théorique de fusion comme le rapport du diamètre L du faisceau laser 95 sur le diamètre Op du faisceau de poudre 94, ces deux diamètres étant déterminés au droit du plan de travail P.
Alternativement, on peut remplacer L par le diamètre du bain liquide OBL (voir figure 4) pour évaluer le rendement lequel dépend entre autre du paramétrage choisi, notamment de la puissance laser, PL, de la vitesse de balayage du faisceau laser, V et du débit massique Dm de poudre.
Le diamètre laser au point focal laser (soit OLo) étant bien souvent très inférieur au diamètre Opo du faisceau de poudre au point focal poudre, la configuration de travail selon l'art antérieur demande fort logiquement à ce que le faisceau laser soit défocalisé (son point focal FL se situe au-dessus du plan de travail P) pour un faisceau de poudre focalisé
(son point focal Fp se situe sur le plan de travail P) ou un faisceau de poudre défocalisé dont le point focal Fp se situe au-dessus du plan de travail P et en dessous du point focal FL, à défaut d'engendrer une construction instable et qui plus est ne garantissant pas un rendement de fusion acceptable. Comme indiqué ci-avant, en règle générale le diamètre du faisceau laser L mesuré au droit du plan P, ne correspond pas au diamètre du bain liquide OBL qui est, quant à lui, approximé à la largeur (notée eapp) du cordon après solidification (figures 4 et 5).
Ce diamètre du bain liquide OBL est supposé être fonction de L et donc de OLo mais également de la paramétrie définie par le triplet (PL, V, Dm) et de surcroît de la taille Dp des différentes particules de poudre et de leurs vitesses Vp en plus de dépendre de leurs propriétés thermo-physiques.
Au cours du processus de construction de la pièce couche par couche, la buse 190 se déplace notamment en hauteur, et en maintenant constante la distance entre les points FL et Fp (soit Défog¨
Défocp=constante) où DéfocL et Défocp représentent respectivement la

7 défocalisation laser et celle de la poudre définies par Défog = {distance entre point FL et plan de travail P} et Défocp = {distance entre point Fp et plan de travail P} et sont visibles sur la figure 4).
Ainsi, le point focal Fp du faisceau de poudre 94 reste à l'intérieur du faisceau laser 95, et juste sur (ou au-dessus de) la surface de la couche précédemment construite (plan de travail P).
On a donc un faisceau laser défocalisé (DéfocL>0) et un faisceau de poudre focalisé (Défocp=0) sur le plan P ou défocalisé (Défocp>0) au-dessus du plan P, et les deux angles 213 et 25 doivent être configurés de telle sorte que d'une part la distance de travail WD entre la sortie de la buse et ce plan P soit suffisamment importante pour éviter la dégradation du bas de la buse par le rayonnement du bain et d'autre part que l'ouverture du faisceau laser à la sortie de la buse reste inférieure au diamètre du cône intérieur.
Le déplacement du support 80 ou le balayage de l'ensemble buse 190/faisceau laser 95 permet de donner à chaque couche une forme indépendante des couches adjacentes. Les couches inférieures de la pièce sont recuites et se refroidissent au fur et à mesure que l'on forme les couches supérieures de la pièce.
Il existe cependant un besoin d'améliorer le rendement massique Rm de fusion (c'est-à-dire le rapport de la quantité de matière formant la pièce finie à la quantité de matière projetée par la buse pour former cette pièce), le rendement massique de poudre recyclée i-ecy (c'est-à-dire le rapport de la quantité de poudre intacte en morphologie et agglomérats obtenue par exemple après un tamisage à la quantité de matière projetée), la stabilité des bains formés à la surface de la pièce et la santé
matière de la pièce fabriquée, pour un ensemble non exhaustif de paramètres donné (distribution de tailles Dp des particules de poudre, nature du matériau de la poudre, débit massique D, de poudre, vitesse de déplacement V de l'ensemble buse/faisceau laser, puissance PL fournie par le laser, répartition de la densité de puissance sur le plan de travail P, type de source laser (solide ou gaz), mode (pulsé ou continu), buse coaxiale, nature et débit du gaz porteur Dgp des particules de poudre, nature et débit du gaz protecteur Dgi traversant l'axe de la buse, les angles 2 p et 2 5 ainsi que les diamètres 0Lo et Opo définis ci-avant, etc).

8 L'invention vise à proposer un procédé et plus particulièrement une configuration de travail optimisée (définie par: DéfocL, Défocp, WD) pour le procédé DMD qui permet d'améliorer en premier lieu la stabilité du bain et dans un second temps le rendement massique de fusion, le rendement massique de poudre recyclée, la santé matière et la vitesse de construction (maximisation de l'incrément de montée en Z de la buse noté
AZ).
Ce but est atteint grâce au fait que les particules de poudre arrivent dans chaque bain à une température froide par rapport à la température du bain.
Grâce à ces dispositions, le rendement massique du procédé Th) défini comme la somme des rendements massiques de fusion (Rm) et de poudre recyclée (recy) est supérieur au rendement massique du procédé
dans le cas où les particules de poudre arrivent chaudes, voire partiellement ou totalement fondues, dans le bain. En outre, les particules de poudre, en arrivant dans le bain, vont tempérer la température de ce bain liquide Tm_ (car elles sont beaucoup plus froides que ce bain, ces dernières étant sensiblement à température ambiante avant de pénétrer dans le bain), tout en augmentant le volume du bain et en particulier celui au-dessus du plan P sans accroître la largeur et la hauteur de la zone diluée (volume du bain qui se trouve en-dessous du plan P). Ceci entraîne immanquablement une augmentation rapide de la tension de surface liquide/vapeur du bain, et par conséquent engendre une meilleure stabilité
du bain.
De plus, le fait de favoriser ainsi une dilution importante à chaque couche déposée permet de minimiser les défauts de fabrication.
Avantageusement, le point focal FL du faisceau de haute énergie se situe au-dessus du plan de travail P ou sur ce plan, et le point focal Fp du faisceau de poudre se situe en-dessous du plan de travail P, de telle sorte que les particules de poudre ne croisent à aucun moment le faisceau de haute énergie entre la sortie de la buse et le plan de travail P. En particulier, le point focal Fp du faisceau de poudre peut se situer à
l'intérieur du support, notamment lors du dépôt des premières couches.
Après le dépôt d'un certain nombre de couches, le point focal Fp du faisceau de poudre peut se situer à l'intérieur des couches précédemment déposées.

9 Ainsi, une majorité de particules de poudre arrivent froides dans le bain préalablement formé sur une partie de la pièce déjà construite.
Ces particules pénètrent alors dans un bain qui est suffisamment large (OBL> Op) et profond (HzR>Happ : voir définitions ci-dessous en référence à la figure 5) pour intégrer une quantité et proportion maximales de l'ensemble des particules projetées par la buse pendant le temps d'interaction laser/bain, défini par le rapport de L sur V.
De plus, le reste des particules de poudre étant intactes, non chauffées par le faisceau de haute énergie, sont parfaitement recyclables.
De plus, le faisceau de poudre et le faisceau de haute énergie peuvent être sensiblement coaxiaux, c'est-à-dire que leurs axes forment entre eux un angle inférieur à 30 , de préférence inférieur à 20 , de préférence encore inférieur à 10 , de préférence encore inférieur à 5 .
Ainsi, le faisceau de haute énergie peut suivre facilement le faisceau de poudre lors de la fabrication de pièces à la géométrie complexe. Le suivi de la forme de la pièce à fabriquer est bien plus difficile dans le cas d'une projection ou fusion déportée, c'est-à-dire lorsque le faisceau de poudre et le faisceau de haute énergie ne sont pas sensiblement coaxiaux.
De plus, chacun des bains revêt une forme définie par 0<90 , Happ/eapp<1 et HzR/Happ0,6, Où 0 désigne l'angle de la surface supérieure dudit bain avec ledit plan de travail P, Happ la hauteur apparente du cordon, eapp sa largeur et HzR la hauteur de la zone refondue.
L'invention sera bien comprise et ses avantages apparaîtront mieux, à la lecture de la description détaillée qui suit, d'un mode de réalisation représenté à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 est un schéma montrant une possibilité du positionnement du faisceau de haute énergie et du faisceau de poudre dans le cas du procédé selon l'invention, - la figure 2, déjà décrite, est un schéma explicatif du procédé selon l'art antérieur illustrant le dispositif du procédé DMD, - la figure 3, déjà décrite, représente l'effet du diamètre Dp des particules de poudre de Ti-6A1-4V sur leur température de la sortie de la buse à leur arrivée dans le bain liquide, 9a ¨ la figure 4, déjà décrite, est un schéma montrant le positionnement du faisceau de haute énergie et du faisceau de poudre dans le cas du procédé selon l'art antérieur, ¨ la figure 5, déjà décrite, est une représentation schématique d'une coupe transversale du bain liquide formé dans le support.

Selon l'invention, les particules de poudre arrivent froides dans le bain formé à la surface de la couche précédente (ou du support). Le terme "froide" signifie que la température des particules est beaucoup plus basse que la température du bain. En effet, la température des 5 particules, avant de pénétrer dans le bain, est sensiblement égale à la température ambiante, par exemple de l'ordre de 20 C.
En comparaison, la température du bain liquide TBL est supérieure à
la température de fusion TF du matériau constituant la poudre mais inférieure à la température d'ébullition Tévap de ce matériau. Cette

10 température de fusion est supérieure à 550 C pour les alliages d'aluminium, 1300 C pour les bases nickel, 1450 C pour les aciers et 1550 C pour les alliages de titane.
La figure 1 illustre un mode de réalisation de l'invention qui permet aux particules de poudre d'arriver froides dans le bain formé à la surface de la couche précédente (ou du support). Un tel mode de réalisation présente en outre l'avantage de faciliter la vision coaxiale du bain par entre autre une caméra CCD (Charge Coupled Device) afin de permettre un contrôle du procédé en ligne, utile pour l'industrialisation du procédé.
La figure 1 montre une vue en coupe d'un support 80 et d'une première couche 10 de matériau déjà déposée sur ce support 80. Une deuxième couche 20 est ensuite déposée sur cette première couche 10.
Un cordon 105 de cette deuxième couche 20 est en cours de construction, la progression du cordon 105 s'effectuant de la gauche vers la droite, de l'amont vers l'aval (direction d'avancement du cordon 105, ou, de façon équivalente, du bain liquide 102). Le bain 102 se situe ainsi immédiatement en aval du cordon 105, sous la buse 190 de laquelle sortent le faisceau laser 95 et le faisceau de poudre 94. La surface supérieure de la première couche 10 constitue alors le plan de travail P
relatif à la deuxième couche en construction et à partir duquel la défocalisation laser DéfocL, la défocalisation poudre Défocp, la distance de travail WD, le diamètre du faisceau laser L, et le diamètre du faisceau de poudre Op sont mesurés.
La buse 190 émet, simultanément à la projection de particules 60 de poudre, un faisceau laser 95 qui provient d'un générateur 90. Le premier orifice 191 de la buse 190 par lequel la poudre est projetée sur le support 80 est coaxial au second orifice 192 par lequel le faisceau laser 95 est

11 émis, de telle sorte que la poudre soit projetée dans le faisceau laser 95.
La poudre forme un cône de particules, ce cône creux présentant une certaine épaisseur (faisceau de poudre 94), et le faisceau laser est conique.
Selon l'invention, la buse 190 est configurée et positionnée de telle sorte que le point focal FL du faisceau de haute énergie 95 se situe au-dessus du plan de travail P ou sur ce plan, et le point focal Fp du faisceau de poudre 94 se situe en-dessous du plan de travail P, de telle sorte que les particules de poudre 60 ne croisent à aucun moment le faisceau de haute énergie entre la sortie de la buse et le plan de travail P.
Selon un autre mode de réalisation que celui de la figure 1, le point focal Fp du faisceau de poudre peut se situer à l'intérieur du support. Dans ce cas, la défocalisation poudre Défocp est plus petite que celle représentée sur la figure 1. Ainsi, le diamètre du faisceau laser L au droit du plan P est proche du diamètre du faisceau de poudre Op au droit du plan P, pour le paramétrage (PL, V, Dm) considéré.
Par exemple, le diamètre du faisceau laser L au droit du plan P est légèrement inférieur au diamètre du faisceau de poudre Op au droit du plan P.
Une telle configuration est obtenue, comme représenté en figure 1, en rapprochant la buse 190 du plan de travail P de la configuration selon l'art antérieur (figure 4), c'est-à-dire en diminuant la distance de travail WD.
Une telle configuration de travail est particulièrement adaptée à la réalisation de larges cordons 105, c'est-à-dire de cordons 105 dont la largeur est supérieure au diamètre 0Lo du faisceau de haute énergie 95 au point focal laser.
En effet, le diamètre du bain liquide OBL est alors plus large et plus de particules de poudre arrivent froides dans le bain liquide 102, ce qui est bénéfique comme expliqué plus haut.
Le point focal FL du faisceau de haute énergie (95) peut alternativement se situer sur le plan de travail P, ce qui est préférable dans la réalisation de cordons fins, dont la largeur est plus faible. Dans ce cas, le point focal Fp du faisceau de poudre 94 peut se situer sur le plan de travail P. Le point focal Fp du faisceau de poudre 94 peut également se situer en-dessous du plan de travail P.

12 Pour optimiser le procédé selon l'invention, on peut adapter certains paramètres en conséquence, notamment la puissance laser PL, la vitesse de balayage V et/ou le débit massique Dm de poudre.
Cependant, dans ce mode de réalisation représenté par la figure 1, un refroidissement (supplémentaire) de la buse 190 peut être nécessaire, car la buse 190 s'échauffe par rayonnement de par sa proximité avec le bain liquide 102. Un tel refroidissement nécessite un dispositif coûteux.
Pour pallier ce problème et ainsi conserver une distance de travail WD (éloignement de la buse du bain) suffisante tout en évitant que le faisceau de poudre ne croise le faisceau de haute énergie, les inventeurs ont élaboré un mode de réalisation qui consiste avantageusement soit à
diminuer la distance DéfocL, soit à diminuer le demi-angle de divergence f3 du faisceau laser 95 par rapport à l'axe Z, revenant dans les deux cas à
diminuer L afin qu'il soit plus faible que Op.
Alternativement, on augmente la distance Défocp du faisceau de poudre 94 afin de compenser la diminution de Op en cas d'une augmentation de WD et ainsi maintenir Op supérieure à Ou Cette diminution de la distance DéfocL et de l'angle [3 et cette augmentation de la distance Défocp peuvent être effectuées conjointement.
Ces variations de ces trois variables peuvent être effectuées indépendamment ou en supplément d'une augmentation de la distance de travail WD. En pratique, la buse 190 est donc configurée et positionnée de telle sorte que les particules de poudre 60 atteignent le plan de travail P
juste à l'extérieur de la zone du plan de travail P couverte par le faisceau laser 95.
Ainsi, étant donné que le bain liquide 102 s'étend par conduction un peu au-delà de cette zone, la majorité des particules de poudre 60 tombent dans le bain 102 sans avoir interagi avec le faisceau laser 95. Les particules de poudre 60 sont donc encore froides avant de pénétrer dans le bain 102. Un avantage de cette absence d'interaction laser-poudre en amont du bain 102 est d'éviter le changement de forme, la formation d'agglomérats et l'oxydation préjudiciable des particules de poudre 60.
Ceci explique que les essais réalisés par les inventeurs montrent que le rendement massique de fusion Rm dans le procédé selon l'invention est

13 supérieur au rendement massique de fusion dans le cas où les poudres arrivent chaudes, voire partiellement ou totalement fondues, dans le bain.
De plus, le bain 102 est plus stable thermiquement, car les particules de poudre 60 refroidissent rapidement le bain 102 (ce qui entraîne une augmentation de la tension de surface liquide/vapeur du bain, et très certainement aussi une variation des mouvements de convection au sein du bain du fait de la variation de la densité du liquide par l'addition de poudres froides et d'un changement du gradient thermique dans le bain).
Un avantage supplémentaire du procédé selon l'invention est que les particules de poudre 60 qui n'ont pas participé à la formation du bain liquide (car tombées à l'extérieur du bain 102) sont restées froides et sont donc recyclables presqu'en totalité. Le rendement massique total du procédé (fusion+recyclage) selon l'invention est donc bien supérieur au rendement massique total du procédé selon l'art antérieur.
Avantageusement, pour une plus grande stabilité du bain 102 et une meilleure santé matière après l'établissement local d'un régime thermique stationnaire autour du bain de la pièce en construction, le bain revêt une forme oblongue définie par e<90 , Happ/eapp<1 et HzR/Happ0,6, Où 0 désigne l'angle de la surface supérieure du bain 102 avec le plan de travail P, Happ la hauteur apparente du cordon (partie du bain 102 au-dessus de plan de travail P), eapp sa largeur, et HzR la hauteur de la zone refondue ou zone diluée (partie du bain en dessous de plan de travail P) (voir figure 5).
De préférence, les trois quantités 0, Happ/eapp, et HzR/Happ vérifient les relations : 15"S85..60 , 0,045.Happ/eapp-0,75, et FlzR/Flapp6.
Dans le cas d'un rechargement de matière sur une pièce, ces quantités vérifient de préférence les relations :
300S0600, 0,15-*Iapp/eapp5.0,25, et 0,01. HzR/Happ5.0,025.
Avantageusement, la distribution de la taille des particules de poudre 60 est étroite (ce qui correspond à des particules présentant toutes sensiblement la même taille, laquelle taille est en accord avec la température et le volume du bain liquide pour être fondue à tout instant pendant la durée de l'interaction laser/bain). En effet, dans ce cas, la probabilité est grande pour que toutes les particules de poudre 60 aient le temps de fondre dans le bain 102 avant que le faisceau laser 95 se

14 déplace (et cesse donc de chauffer ce bain 102). Le procédé consistant à
alimenter le bain de particules de poudre froides et de distribution étroite en taille sera alors plus efficace en termes de stabilité et vitesse de construction car la température du bain diminue plus rapidement et la hauteur apparente des cordons devient plus importante. Cette hauteur apparente est d'autant plus grande que les particules sont fines car la température du bain va progressivement diminuer puis rester constante (palier de solidification atteint) au fur et à mesure que les particules pénètrent dans le bain 102.
Par exemple, les particules de poudre 60 présentent des tailles s'échelonnant entre 25 et 75 pm (microns). Préférentiellement, ces tailles sont comprises entre 25 et 45 pm.
Dans le procédé selon l'art antérieur, une distribution des particules de poudre 60 plus large est plus préjudiciable. En effet en présence d'interaction laser/poudre, les particules de poudre 60, ayant des tailles différentes, arrivent dans le bain à des températures différentes, et par conséquent la température du bain fluctue, ce qui est susceptible de conduire à une instabilité du bain.
Avantageusement, on asservit le positionnement de la buse 190, à
savoir la distance de travail WD, aux variations spatiales du plan de travail P (variations de la hauteur de matière consolidée Happ d'une couche de la pièce à construire alors que l'incrément AZ de montée en Z de la buse 190 est maintenu constant par pré-programmation) de telle sorte que, pour chaque couche, le point focal FL du faisceau laser 95 se situe à la même hauteur au-dessus du plan de travail P, et le point focal Fp du faisceau de poudre 94 se situe à la même hauteur en-dessous du plan de travail P.
Alternativement, on peut asservir l'incrément AZ aux variations de la hauteur de matière consolidée Happ d'une couche.
Ces asservissements sont réalisés en utilisant un programme de contrôle procédé de type connu, qu'il n'est pas nécessaire de décrire ici.

Claims (6)

REVENDICATIONS

1. Procédé de fabrication d'une pièce comprenant les étapes suivantes :
(a) on fournit un matériau sous forme de particules de poudre (60) formant un faisceau de poudre (94), (b) on chauffe une première quantité de ladite poudre à une température supérieure à la température de fusion TF de cette poudre à l'aide d'un faisceau de haute énergie (95), et on forme à la surface d'un support (80) un premier bain comprenant cette poudre fondue et une portion de ce support (80), (c) on chauffe une deuxième quantité de ladite poudre à une température supérieure à sa température de fusion TF à l'aide dudit faisceau de haute énergie (95), et on forme à la surface du support (80) un deuxième bain comprenant cette poudre fondue et une portion de ce support (80) en aval dudit premier bain, (d) on répète l'étape (c) jusqu'à former une première couche (10) de ladite pièce sur ledit support (80), (e) on chauffe une {nrme quantité de ladite poudre à une température supérieure à sa température de fusion TF à l'aide d'un faisceau de haute énergie (95), et on forme un [n]ième bain comprenant en partie cette poudre fondue au-dessus d'une portion de ladite première couche (10), (f) on chauffe une [n-F1rme quantité de ladite poudre à une température supérieure à sa température de fusion TF à l'aide dudit faisceau de haute énergie (95), et on forme un [n+1]ième bain comprenant en partie cette poudre fondue en aval dudit [n]ième bain au-dessus d'une portion de ladite première couche (10), (g) on répète l'étape (f) de façon à former une deuxième couche (20) de ladite pièce au-dessus de ladite première couche (10), (h) on répète les étapes (e) à (g) pour chaque couche située au dessus d'une couche déjà formée jusqu'à ce que ladite pièce soit sensiblement sous sa forme finale, ledit procédé étant caractérisé en ce que le faisceau de poudre (94) et le faisceau de haute énergie (95) sont sensiblement coaxiaux et en ce que les particules (60) de poudre arrivent dans chacun des bains à une Date Reçue/Date Received 2020-10-02 température froide par rapport à la température dudit bain, et en ce que chacun desdits bains revêt une forme définie par 0<90 , Happ/eapp<1 et HzR/I-lapp0,6, où 0 désigne l'angle de la surface supérieure dudit bain avec ledit plan de travail P, Happ la hauteur apparente du cordon, eapp sa largeur et HzR la hauteur de la zone refondue.

2. Procédé de fabrication d'une pièce selon la revendication 1 caractérisé en ce que le point focal FL du faisceau de haute énergie (95) se situe au-dessus du plan de travail P ou sur ce plan, et le point focal Fp du faisceau de poudre (94) se situe en-dessous du plan de travail P, de telle sorte que les particules de poudres ne croisent à aucun moment le faisceau de haute énergie (95) entre la sortie d'une buse (190) et le plan de travail P, le plan de travail P étant défini comme le plan contenant la surface sur laquelle une desdites couches est en formation.

3. Procédé de fabrication d'une pièce selon la revendication 2 caractérisé en ce que pour obtenir la disposition du point focal FL du faisceau de haute énergie (95) et du point focal Fp du faisceau de poudre (94) selon la revendication 2, on augmente la distance de défocalisation Défocp du faisceau de poudre (94), et/ou on diminue le demi-angle de divergence [3 du faisceau de haute énergie (95) par rapport à la perpendiculaire audit plan de travail P ou on diminue la distance de défocalisation Défoci_ du faisceau de haute énergie (95).

4. Procédé de fabrication d'une pièce selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que les particules de poudre présentent des tailles s'échelonnant entre 25 et 75 microns.

5. Procédé de fabrication d'une pièce selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les trois quantités 0, Happ/eapp, et HzR/Happ vérifient les relations : 15cS060 , 0,041-lapp/eapp0,75, et 1 lizR/I-lapp 6.

6. Procédé de fabrication d'une pièce selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les particules de poudre sont à
température ambiante en arrivant dans le bain.
Date Reçue/Date Received 2020-10-02