EP3972808A1 - Procédé de fabrication additive - Google Patents

Procédé de fabrication additive

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Publication number
EP3972808A1
EP3972808A1 EP20725585.2A EP20725585A EP3972808A1 EP 3972808 A1 EP3972808 A1 EP 3972808A1 EP 20725585 A EP20725585 A EP 20725585A EP 3972808 A1 EP3972808 A1 EP 3972808A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
layer
additive manufacturing
data
carriage
profilometer
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Withdrawn
Application number
EP20725585.2A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Xavier TARDIF
François EDY
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Institut de Recherche Technologique Jules Verne
Original Assignee
Institut de Recherche Technologique Jules Verne
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 Institut de Recherche Technologique Jules Verne filed Critical Institut de Recherche Technologique Jules Verne
Publication of EP3972808A1 publication Critical patent/EP3972808A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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 a method for layer-by-layer additive manufacturing of a part.
  • parts produced layer by layer may have defects generated for example during the process.
  • Additive manufacturing processes are generally long and the part produced may prove, during the final inspection, to be defective and therefore discarded. The material used is then lost, whereas it is generally expensive. In addition, the process time used for the production of the part is lost. It may thus be advantageous to carry out an inspection of the part as it is manufactured.
  • US 2019/0009472 discloses a method of controlling a 3D printed part with a 3D printer.
  • DE 10 2017 005 426 describes a machine and a process for additive manufacturing.
  • the machine is designed to allow rapid change of process specific printheads and other systems such as measurement sensors.
  • the method provides for measurement of the surface temperatures by means of a temperature sensor.
  • a subject of the present invention is thus, according to a first of its aspects, an additive manufacturing process layer by layer of a part with an additive manufacturing machine, comprising the following steps:
  • the method can also make it possible to detect excess material or deformation defects in step c), if one or more such defects are present on said at least one layer.
  • a single layer of material is deposited in step a) and this layer is scanned after its deposition.
  • this layer is scanned after its deposition.
  • step a) several layers of material are deposited in step a) before scanning them in step b), with a scan taking place with the last layer deposited in the foreground.
  • steps a) and b) are overlapped, the scan being carried out as the material is deposited to form a layer.
  • Treatment step c) can be performed after completion of each layer. As a variant, it is carried out after making several layers. In another variant, it is carried out only once the part has been completely produced.
  • the additive manufacturing machine advantageously comprises an enclosure, in particular a closed enclosure, the support for the part being present in the enclosure.
  • the scanning step b) is advantageously implemented using a scanning tool chosen from the group consisting of a profilometer, in particular an optical profilometer, camera or laser, preferably a laser profilometer, a distance sensor , a camera, a mechanical profilometer and a 3D scanner, preferably by projection of structured light, in particular of fringes, preferably a profilometer, capable of scanning the part.
  • a profilometer in particular an optical profilometer, camera or laser
  • a laser profilometer preferably a laser profilometer
  • a distance sensor preferably a distance sensor
  • the latter is moved point by point and does not scan a line.
  • the scanning tool in particular the profilometer, is preferably placed outside the enclosure.
  • the scanning step b) can then be carried out by the profilometer through a portion of wall transparent to the wavelength of the profilometer, over the visible range, between 380 nm and 800 nm.
  • the transparent wall portion preferably forms at least part of a wall defining the enclosure.
  • the transparent wall portion may constitute a glazed wall.
  • the scan tool is preferably non-intrusive, being outside the room.
  • Step a) of depositing said at least one layer of material can be carried out using a nozzle, in particular opening into the enclosure.
  • the nozzle can be fixed to a carriage, the carriage being able to be movable along at least two axes (X, Y), preferably three orthogonal axes (X, Y, Z) relative to the support.
  • the scanning tool in particular the profilometer, is also preferably fixed relative to the carriage, in particular being fixed near the nozzle.
  • the trolley can form part of a wall defining the enclosure and / or be mounted on such a wall.
  • the carriage which is integral with the nozzle and the scanning tool, in particular the profilometer, can be mobile or be fixed.
  • the support for manufacturing the part is advantageously movable along at least two axes (X, Y), or even three orthogonal axes (X, Y, Z). This relative mobility of the carriage and / or the support makes it possible to deposit the material in the place provided for the construction of each layer of the part.
  • the additive manufacturing process can be a printing process by material extrusion, also called “material extrusion” in which the Fused Deposition Modeling (FDM) or Fused Filament Fabrication (FFF), a 3D printing by projection of binder also called “binder jetting” in English which includes Drop-On-Demand (DOD) technology, a 3D printing by powder bed fusion also called “powder bed fusion” in English, including selective laser sintering (SLS) and selective melting (SLM) technologies, 3D printing by material jetting, 3d printing by directed energy deposition also called “Directed Energy Deposition” in English, a 3d printing by photopolymerization in a tank also called “Vat Photopolymerization” in English which includes the stereolithography technology (SLA) .
  • the process can also be a mixture of these different technologies such as Multi Jet Fusion (MJF) technology which combines binder projection and powder bed fusion.
  • the part's additive manufacturing method is preferably FDM.
  • the material used for the additive manufacturing is preferably a thermoplastic polymer chosen, for example, from the group consisting of PAEK (Polyaryletherketone) of which PEEK (polyetheretherketone) and PEKK (polyetherketonecetone), PEI (Polyetherimide also known under the name of ULTEM), PPS (Polyphenylene sulfide), ABS (acrylonitrile butadiene styrene), PA (polyamide), PP (polypropylene), PLA (poly lactic acid), TPU (thermoplastic polyurethane) and PET (polyethylene), and mixtures thereof.
  • PAEK Polyaryletherketone
  • PEEK polyetheretherketone
  • PEKK polyetherketonecetone
  • PEI Polyetherimide also known under the name of ULTEM
  • PPS Polyphenylene sulfide
  • ABS acrylonitrile butadiene styrene
  • PA polyamide
  • PP polypropylene
  • PLA
  • the polymer can be amorphous and / or semi-crystalline, charged or not.
  • the polymer can be loaded with fibers, in particular carbon / glass fibers, mineral, metallic or vegetable filler, in particular glass beads or wood, or be unfilled.
  • Step a) is preferably carried out by depositing extruded polymer wire.
  • the method may include a step prior to the first implementation of step a), consisting in scanning the support intended to receive the part during its manufacture, before depositing the first layer of the part. This makes it possible to take a mark for the subsequent manufacture of the part.
  • the data acquired in step b) can include the three-dimensional coordinates of the deposited and scanned layer.
  • Step c) of data processing may include, from the data acquired, the analysis of at least one global quantity in order to monitor the additive manufacturing process, layer by layer.
  • the overall magnitude is preferably chosen from a thickness of the deposited layer, a standard deviation of the thickness of the deposited layer, an amount of material deposited for the layer, a displacement of the carriage at each deposited layer, the average width of the beads.
  • the data acquired in scanning step b) can make it possible, in data processing step c), to identify areas of lack of material, to control the geometry of the material deposition at each layer, to control roughness between the layers, to know the void rate within a layer, several layers or the part.
  • the method may include a preliminary step of configuring the additive manufacturing machine for carrying out step a) with set parameters and on the basis of reference geometric data of the part and / or of each layer of the part. , stored in a memory.
  • processing step c) advantageously comprises a comparison of the data acquired in step b) with the setpoint parameters and detection of any discrepancies between the data acquired and the setpoint parameters.
  • processing step c) may include a comparison of the data acquired in step b) with the stored reference geometric data, in order to detect an average deviation of the contour of the part from the geometric data of reference, and / or an average deviation from the deposition trajectories of the material constituting the part.
  • the data acquired in step b) can make it possible to recognize the contours of the layer, of the layers or of the manufactured part and thus to virtually reconstruct the part actually manufactured, layer by layer, and to compare it with the initial data of reference. This may allow quality control to be performed and may or may not accept the part from a dimensional point of view.
  • the trajectories of deposition of the material constituting the part can correspond, when the additive manufacturing is a deposition of extruded polymer wire, to the trajectories of the nozzle, which is for example controlled by numerical control programming.
  • Step c) may include determining the surface dimension and the depth of each lack of material defect.
  • step c) may include the recording of data on this defect, these data comprising in particular the coordinates, the surface dimension and the depth of the defect.
  • the predetermined threshold value of area dimension is for example 5pm * 5pm, or even greater than 5pm * 5pm, for example equal to 50pm * 50pm.
  • the predetermined depth threshold value may be 10 pm, or even greater than 10 pm, for example equal to 100 pm.
  • the method may also include the scrapping of the part, even if it has not been completed, since processing step c) leads to determining the presence of a number of defects greater than a predetermined threshold value and / or the presence of 'at least one defect of dimensions greater than a predetermined threshold value, the threshold values being predetermined for a given part.
  • the method may include a step of repairing said at least one lack of material defect by adding material.
  • the method can make it possible to choose between these two possibilities in the event of detection of lack of material defect (s) on one or more given layers, or to choose to continue manufacturing without repair, if the defect (s) do not critically affect the quality, by their dimensions and / or their number.
  • the repair step can be implemented between step c) of treatment and step d) consisting of performing a new step a), namely depositing at least one new layer on the previous one.
  • This repair can take place after completion of a layer or several layers or even a portion of the layer being deposited, after scanning and data processing.
  • the material added may be different from the material deposited for each layer in step a), being preferably more fluid. It is preferably compatible. It can be of the same nature. Pairs of materials that can be used can be established, one of the materials being dispensable by the nozzle used for the deposition of the material layers and the other of the materials being dispensable through a second nozzle for repairing one or more layers. several defects of lack of material. Alternatively, the same nozzle can allow depositing the layers of material to form the part and depositing material for the repair of one or more shortage defects.
  • the same material, for example PEKK 6004 CF for example, can be deposited by either nozzle.
  • the second nozzle may be of reduced diameter compared to the main nozzle to fill areas of small dimensions corresponding to defects of lack of material.
  • Repairing shortage defects by adding material, in particular using the second nozzle, can be particularly advantageous for large parts.
  • the dimensions of the deposit are generally increased, in width and in height. Increasing the width may cause the path not to fill all areas properly. Adding material to areas where material is lacking, including the use of a second nozzle, helps fill in these unwanted holes.
  • Another subject of the invention is an additive manufacturing machine for implementing the method as defined above, the additive manufacturing preferably being printing by extrusion. of material (FDM, FFF), the machine comprising:
  • a nozzle for extruding and depositing the wire to form the part, a carriage on which the nozzle is fixed,
  • the additive manufacturing machine can include an enclosure, in particular a closed one.
  • the support may be in the enclosure, and the profilometer is preferably outside the enclosure, the nozzle opening into the enclosure.
  • the carriage can form all or part of a wall of the enclosure, and / or be integral with such a wall.
  • the enclosure may or may not be heated and its heating temperature, if applicable, may vary, depending on the materials used for additive manufacturing (or materials). For some materials, it is preferable that it is heated. However, some materials do not require a heated enclosure.
  • the heating temperature of the enclosure is for example defined as a function of the T g (glass transition temperature) of the material used for the additive manufacturing.
  • T g glass transition temperature
  • the enclosure can be heated to a temperature between 50 ° C and 100 ° C.
  • the temperature of the enclosure will be equal to approximately 150 ° C.
  • the heating temperature of the enclosure can be up to 250 ° C.
  • the enclosure can be heated to avoid the deformations generated by excessively large temperature gradients in the room during its manufacture.
  • the additive manufacturing machine may also include a wall, forming for example part of a wall of the enclosure, transparent to the wavelength of the profilometer, arranged so as to allow scanning by the profilometer of at least a part. of the room through this wall.
  • the machine may include a second nozzle for repairing a lack of material, the second nozzle preferably having a diameter smaller than that of the nozzle.
  • the second nozzle can be adapted to deposit a material, in particular a polymer, which is more fluid than that of the nozzle for depositing the layers of the part.
  • the nozzle for the extrusion and deposit of the wire can also be used for the repair of shortage defects.
  • FIG. 1 schematically represents an example of an additive manufacturing machine according to the invention
  • FIG. 2 represents a block diagram of the steps of a particular implementation of the additive manufacturing process according to the invention
  • Figure 3 is a schematic view of an example of a part produced with the additive manufacturing process according to the invention.
  • FIG 4 is a graph of data from the scanning step in the implementation of the process for several parts according to Figure 3,
  • FIG 5 is a graph of data from the scanning step in the implementation of the process for several parts according to Figure 3,
  • FIG 6 is a graph of data from the scanning step in the implementation of the process for several parts according to Figure 3,
  • FIG 7 is a graph of data from the scanning step in the implementation of the process for several parts according to Figure 3,
  • Figure 8 comprises several schematic images resulting from the processing of data from the scanning step, for different layers of the part of Figure 3, during the implementation of the method according to the invention,
  • FIG 9 is an enlarged photograph illustrating a portion of the part of Figure 3,
  • FIG 10 shows a block diagram of the steps of another example of implementation of the additive manufacturing process according to the invention.
  • FIG 11 schematically shows an example of an additive manufacturing machine for implementing the method illustrated in Figure 10, and
  • Figure 12 shows schematically the result of the scan of an example of a part to be repaired using the method according to the invention.
  • FIG. 1 shows an additive manufacturing machine 1 for producing a part P layer by layer.
  • the additive manufacturing technique is a printing process by deposition of molten filament, a technology called FDM, or even FFF.
  • the machine 1 comprises a cabinet 10 shown in dotted lines in this figure.
  • the machine 1 comprises, housed in the cabinet 10, a support 2 for the part P to be manufactured, at least one coil 3 of wire 4 made of polymer material, a nozzle 5 for the extrusion and the deposit of the wire 4 in order to form part P, a carriage 6 on which the nozzle 5 is fixed.
  • At least one of the carriage 6 and of the support 2 is movable along at least two X, Y axes, in this example along three X, Y and Z axes, relative to the other.
  • the carriage 6 is movable relative to the support 2, but it is not beyond the scope of the invention if it is the support 2 which is movable and the carriage 6 which is fixed, or if both, carriage 6 and support 2 are movable relative to one another.
  • the machine 1 also comprises a scanning tool consisting in this example of a profilometer 7, in this example laser, in particular of class 2, fixed relative to the carriage 6.
  • the profilometer 7 makes it possible to scan the part P and to acquire topographic data. of part P, layer by layer for example.
  • the profilometer chosen in this example has an observation area of 39mm wide, to obtain a resolution of 0.05mm. You can change the profilometer measuring head to enlarge the scanned width, which goes in the direction of a decrease in resolution, or to decrease it, in order to increase the resolution. To scan a part whose dimensions are larger than the measured width, several passes are made.
  • the machine 1 comprises, in the cabinet 10, an enclosure 11, closed.
  • the enclosure 11 is heated, to a temperature of about 150 ° C, for a material used for additive manufacturing consisting of PEKK.
  • the enclosure 11 contains the support 2 which carries the part P, here shown with several layers C deposited.
  • the profilometer 7 is located outside the enclosure 11, in a space 13 of the machine 1 which is temperature-regulated.
  • the machine 1 comprises a portion of wall 12 transparent to the wavelength of the profilometer 7, arranged so as to allow the scanning by the profilometer 7 of at least part of the part P through this portion of wall 12.
  • the wall portion 12 may be integral with the carriage 6 on which are fixed the nozzle 5 and the profilometer 7.
  • the nozzle 5 opens into the chamber 11 for the deposition of material in order to manufacture the part layer by layer.
  • the machine 1 also comprises a computer system 15 connected at least to the profilometer 7 in order to collect data from it, to the coil 3 to control the deposition of material and to the carriage 6 so as to control the displacement in X, Y and Z of it.
  • the computer system 15 connected to the profilometer 7 may not be the same as that which controls the machine 1, but these two computer systems can communicate with each other when necessary, for example in the event of a machine shutdown.
  • the additive manufacturing machine 1 is used to implement the additive manufacturing process which will be described with reference to FIG. 2 which illustrates the steps thereof.
  • the additive manufacturing process for part P comprises a first step 20 comprising the scanning, using profilometer 7, of support 2, before depositing the first layer C of part P. This measurement is carried out to obtain a distance reference between the profilometer and the support, it is a calibration step. This data acquisition relating to the medium 2 can be omitted in an alternative embodiment of the invention.
  • a first layer of the part P is then produced, by depositing an extruded wire of polymer material using the nozzle 5, in a step 21.
  • the carriage 6 is moved relative to the support 2 in order to deposit material. at the desired location.
  • a step 22 the first layer C of the part P which was deposited in step 21 is scanned, using the profilometer 7, through the transparent wall 12.
  • the beam F is visible in FIG. 1.
  • the carriage 6 can be moved relative to the support 2 to perform the scan.
  • the acquired data is processed to detect and geolocate at least one lack of material defect, if one or more defects of this type are present on the first layer C deposited in step 21.
  • steps 21 and 22 can be carried out several times before implementing step 23. It is possible, additionally or as a variant, as illustrated, to repeat steps 21 and 22 after implementation of step. 23 until all the layers of part P.
  • step 21 consists of depositing not one but several layers C before performing step 22 of scanning.
  • the scan of step 22 is carried out as soon as the material is deposited, before making the entire C layer, as and when the latter is deposited.
  • the scan performed in step 22 makes it possible to acquire topographic data of the deposited C layer.
  • the data processing step 23 comprises in particular, from the acquired data, the analysis of one or more global quantities in order to monitor the additive manufacturing process, layer by layer.
  • the overall quantities analyzed there may be mentioned a thickness of the deposited layer C, a standard deviation of the thickness of the C layer deposited, an amount of material deposited for the layer C and a displacement of the carriage 6 and / or of the support for each layer C deposited, an average roughness, an average width of the beads of deposited yarn.
  • the additive manufacturing machine 1 is also configured for performing step 21 with setpoint parameters and on the reference geometric database of the part P and / or each layer C of part P, stored in a memory of the computer system 15.
  • Processing step 23 comprises a comparison of the data acquired in step 22 with the setpoint parameters and detection of any deviations between the data acquired and the setpoint parameters.
  • Processing step 23 further comprises a comparison of the data acquired in step 22 with the stored reference geometric data, in order to detect an average deviation of the contour of the part P with respect to the reference geometrical data and / or a deviation means relative to the trajectories of deposition of material constituting part P, programmed upstream of manufacture.
  • Step 23 also comprises determining the surface dimension and the depth of each detected lack of material defect and, when the area dimension and the depth of a lack of material defect are respectively greater than predetermined threshold values of surface dimension and depth, the recording of data on this defect, this data comprising in particular the coordinates, the surface dimension and the depth of the defect.
  • the predetermined threshold value of area dimension is in the illustrated example 50pm * 50pm and the predetermined threshold value of depth is 100pm.
  • a question Q1 is answered on the presence of a number of defects greater than a predetermined threshold value and / or the presence of at least one defect of dimensions greater than a predetermined threshold value, the threshold values being predetermined for a given part P. If the answer to question Q1 is that there is a number of defects greater than the predetermined threshold value and / or the presence of at least one defect of dimensions greater than the predetermined threshold value, NOK in the diagram of FIG. 2 , then the process leads to step 24 disposal of part P, not completed. Otherwise, OK on the diagram in figure 2, part P is finished, by repeating steps 21 and 22.
  • a question Q2 similar to question Q1 is asked. If the answer to question Q2 is that there is a number of defects greater than the predetermined threshold value and / or the presence of at least one defect of dimensions greater than the predetermined threshold value, NOK in the diagram of FIG. 2 , then the method leads to step 24 of discarding the part P, not completed. Otherwise, OK on the diagram in figure 2, the finished part P is validated in a step 25.
  • control carried out during manufacture according to the process according to the invention is a form of non-destructive testing, also called NDT, but which takes place throughout the manufacturing process unlike the usual non-destructive testing which is carried out on the finished part.
  • This step of the usual non-destructive testing on a finished part is thus not necessary, thanks to the invention, which makes it possible on the one hand to save this usual final step and on the other hand not to have to invest in the NDT system making it possible to implement it, a system which is generally expensive.
  • FIG. 3 a part P, consisting of a tensile test piece, produced using the method according to the invention, implemented by the additive manufacturing machine 1 according to the invention.
  • Figure 8 illustrates several of the C layers scanned from the Ep_C specimen.
  • the image titled 8A illustrates the second deposited and scanned layer
  • the image labeled 8B represents the third layer
  • the image 8C the fourth layer represents the third layer
  • the image 8C the fourth layer represents the third layer
  • the image 8C the fourth layer represents the third layer
  • the image 8C the fourth layer represents the third layer
  • the image 8C the fourth layer represents the third layer
  • the 8D image the fifth layer the 8E image the sixth layer
  • the image 8F the seventh layer image 8G the twelfth layer
  • image 8H the thirteenth layer.
  • FIGS. 4 to 7 illustrate graphs representing at least part of the result of processing data acquired on part P during its manufacture, after deposition of each layer C, by scan, for each of the test pieces Ep_A, Ep_B and Ep_C.
  • the graph of figure 4 represents the volume V expressed in mm 3 as a function of the rank n of each layer C.
  • the graph of figure 5 illustrates the average height H per layer, expressed in mm, as a function of the rank n of each layer.
  • C The graph of figure 6 illustrates the displacement of the carriage, Dp, expressed in mm, as a function of the rank n of each layer C.
  • the graph of figure 7 represents the standard deviation of the height of the layer, Dev, expressed in mm, as a function of the rank n of each layer C.
  • the rank n corresponds to the number of the layer C deposited.
  • the first layer deposited has rank 1
  • the second layer, deposited on the first layer has rank 2, etc., up to the highest rank which corresponds to the last layer deposited for the production of part P.
  • the values illustrated for the test piece Ep_A are small squares, those for the test piece Ep_B are small circles, and those for the test piece Ep_C are small triangles.
  • a portion of part P has been illustrated in FIG. 9 to represent the detection of defects D, identified by small crosses in this figure, of lack of material.
  • defects of the lack of material type are located by scanning and processing the scan data, they are compared to threshold values, for example of dimensions greater than 5 pm * 5 pm and depth greater than 10 pm.
  • threshold values for example of dimensions greater than 5 pm * 5 pm and depth greater than 10 pm.
  • a defect has a size greater than at least one of the threshold values, its coordinates as well as its size (on the surface) and its depth are recorded. This can make it possible to make decisions about whether to keep and continue to manufacture part P or to dispose of it.
  • FIG. 10 Another example of implementation of the method according to the invention is shown in FIG. 10.
  • the method comprises the same steps as those illustrated in FIG. 2, but also comprises a step of repairing the lack of material defect (s) as will be explained below.
  • the data acquired by scan can be classified in the present invention into two categories allowing two types of analysis.
  • the overall quantities per layer mentioned above, can be acquired and analyzed, in particular compared to reference values and set values, to monitor the additive manufacturing process.
  • material shortage defects especially those that can be corrected, can be detected and geolocated for treatment, in particular by adding material.
  • the additive manufacturing machine 1 illustrated in FIG. 11 which comprises a second nozzle 16 supplied with a second wire 17 of polymer material by a second coil 18.
  • the second wire 17 is produced, in the example illustrated, in a polymer material which is more fluid than wire 4.
  • the second nozzle 16 has a smaller diameter than the nozzle 5.
  • One or more defects of lack of material can be repaired, if necessary, after production of a layer, or of several layers, or even during the production of a layer not entirely deposited on the previous one or on the support 2.
  • a new layer can then be placed on top, then the scan, then the data processing and a possible new repair, and so on until the part is produced.
  • FIG. 12 schematically shows a layer of a part displayed after it has been deposited, the scan and the data processing.
  • the R contour of the part is visible.
  • An advantage of the invention when the method includes repair, is that it makes it possible to repair a defective zone due to a lack of material during the manufacture of the part. Another advantage is that the porosity at the level of the overlap zones between the contour and the filling can be reduced. Another advantage is to allow limit the number of parts discarded because they have too many shortage defects or one or more shortage defects of too large dimensions.
  • the additive manufacturing process can be other than FDM technology.
  • the additive manufacturing process can consist of a 3D printing by projection of binder also called “binder jetting” in which the Drop-On-Demand (DOD) technology is part in particular, a 3D printing by powder bed fusion.
  • binder jetting also called “powder bed fusion” in English which includes the technologies of selective laser sintering (SLS) and selective fusion (SLM), 3D printing by projection of material “material jetting”, 3d printing by directed energy deposition also called “Directed Energy Deposition” in English, a 3d printing by photopolymerization in a tank also called “Vat Photopolymerization” in English which includes stereolithography technology (SLA).
  • SLS selective laser sintering
  • SLM selective fusion
  • 3D printing by projection of material "material jetting” 3d printing by directed energy deposition also called “Directed Energy Deposition” in English
  • a 3d printing by photopolymerization in a tank also called “Vat Photopolymerization” in English which includes stereolithography

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Abstract

Procédé de fabrication additive Procédé de fabrication additive en couche par couche d'une pièce (P) avec une machine (1) de fabrication additive, la fabrication additive étant une impression par extrusion de matière, le procédé comportant les étapes suivantes : a) déposer au moins une couche de matière sur un support (2) pour la fabrication de la pièce (P), b) scanner ladite au moins une couche pour acquérir des données topographiques sur ladite au moins une couche, c) effectuer un traitement des données acquises pour détecter et géolocaliser au moins un défaut de manque de matière, si un ou plusieurs défauts de ce type sont présents sur ladite au moins une couche, d) renouveler les étapes a), b) et éventuellement c) jusqu'à réalisation de la pièce (P). l'étape a) de dépôt de ladite au moins une couche de matière étant effectuée à l'aide d'une buse fixée à un chariot, ledit chariot étant mobile selon au moins deux axes relativement au support, l'étape b) de scan étant mise en œuvre à l'aide d'un outil de scan, l'outil de scan étant fixe relativement au chariot.

Description

Description
Titre : Procédé de fabrication additive
Domaine technique
La présente invention concerne un procédé de fabrication additive en couche par couche d’une pièce.
Technique antérieure
Dans le domaine de la fabrication additive, en particulier mais non exclusivement de l’extrusion de filament fondu encore appelée FDM pour Fused Déposition Modeling en anglais, les pièces produites en couche par couche peuvent présenter des défauts générés par exemple lors du procédé.
Les procédés de fabrication additive sont généralement longs et la pièce réalisée peut s’avérer, lors du contrôle final, défectueuse et donc mise au rebut. La matière utilisée est alors perdue alors qu’elle est généralement coûteuse. De plus, le temps de procédé utilisé pour la réalisation de la pièce est perdu. Il peut ainsi être avantageux d’effectuer un contrôle de la pièce au fur et à mesure de sa fabrication.
On connaît de US 2019/0009472 un procédé de contrôle d’une pièce imprimée en 3D avec une imprimante 3D.
DE 10 2017 005 426 décrit une machine et un procédé de fabrication additive. La machine est conçue de manière à permettre un changement rapide des têtes d'impression spécifiques au processus et d'autres systèmes tels que des capteurs de mesure. Lors de la fabrication des composants après chaque couche, le procédé prévoit une mesure des températures de surface au moyen d'un capteur de température.
Il existe un besoin d’améliorer les procédés de fabrication additive existants. Exposé de l’invention
Procédé de fabrication additive
La présente invention a ainsi pour objet, selon un premier de ses aspects, un procédé de fabrication additive en couche par couche d’une pièce avec une machine de fabrication additive, comportant les étapes suivantes :
a) déposer au moins une couche de matière sur un support pour la fabrication de la pièce,
b) scanner ladite au moins une couche pour acquérir des données topographiques sur ladite au moins une couche, c) effectuer un traitement des données acquises pour détecter et géolocaliser au moins un défaut de manque de matière, si un ou plusieurs défauts de ce type sont présents sur ladite au moins une couche, d) renouveler les étapes a), b) et éventuellement c) jusqu’à réalisation de la pièce.
Le procédé peut permettre également de détecter des défauts de surplus de matière ou de déformation à l’étape c), si un ou plusieurs défauts de ce type sont présents sur ladite au moins une couche.
Grâce à l’invention, on bénéficie d’un procédé permettant de surveiller entre autres les défauts de manque de matière, éventuellement de surplus de matière ou de déformation, couche après couche, au cours de la fabrication.
De préférence, une seule couche de matière est déposée à l’étape a) et cette couche est scannée après son dépôt. Ainsi, on peut surveiller au fur et à mesure de la construction de la pièce les défauts, notamment de manque de matière, en couche par couche.
En variante, on dépose plusieurs couches de matière à l’étape a) avant de les scanner à l’étape b), avec un scan qui aura lieu avec en premier plan la dernière couche déposée.
Dans une autre variante, les étapes a) et b) sont imbriquées, le scan étant effectué au fur et à mesure du dépôt de matière pour former une couche.
L’étape de traitement c) peut être effectuée après réalisation de chaque couche. En variante, elle est effectuée après réalisation de plusieurs couches. Dans une autre variante, elle est effectuée uniquement une fois la pièce entièrement réalisée.
La machine de fabrication additive comporte avantageusement une enceinte, notamment fermée, le support de la pièce étant présent dans l’enceinte.
L’étape b) de scan est avantageusement mise en œuvre à l’aide d’un outil de scan choisi dans le groupe constitué par un profilomètre, notamment un profilomètre optique, caméra ou laser, de préférence un profilomètre laser, un capteur de distance, une caméra, un profilomètre mécanique et un scanner 3D, de préférence par projection de lumière structurée, notamment de franges, de préférence un profilomètre, apte à scanner la pièce. Lorsque l’outil de scan est un capteur de distance, ce dernier est déplacé point par point et ne scanne pas une ligne. Dans ce cas et dans le cas où la machine de fabrication additive comporte une enceinte, l’outil de scan, notamment le profilomètre, est de préférence disposé en dehors de l’enceinte. L’étape b) de scan peut alors être mise en œuvre par le profilomètre au travers d’une portion de paroi transparente à la longueur d’onde du profilomètre, sur la gamme du visible, comprise entre 380 nm et 800 nm. La portion de paroi transparente forme de préférence au moins une partie d’une paroi définissant l’enceinte. La portion de paroi transparente peut constituer une paroi vitrée.
L’outil de scan est de préférence non intrusif, étant en dehors de la pièce.
L’étape a) de dépôt de ladite au moins une couche de matière peut être effectuée à l’aide d’une buse, notamment débouchant dans l’enceinte. La buse peut être fixée à un chariot, le chariot pouvant être mobile selon au moins deux axes (X, Y), de préférence trois axes orthogonaux (X, Y, Z) relativement au support. L’outil de scan, notamment le profilomètre, est également de préférence fixe relativement au chariot, étant notamment fixé à proximité de la buse. Le chariot peut former une partie d’une paroi définissant l’enceinte et/ou être monté sur une telle paroi.
Le chariot dont sont solidaires la buse et l’outil de scan, notamment le profilomètre, peut être mobile ou être fixe. Dans ce dernier cas, le support pour la fabrication de la pièce est avantageusement mobile selon au moins deux axes (X, Y), voire trois axes orthogonaux (X, Y, Z). Cette mobilité relative du chariot et/ou du support permet de déposer la matière à l’endroit prévu pour la construction de chaque couche de la pièce.
Le procédé de fabrication additive, encore appelé fabrication par synthèse additive, peut être un procédé d’impression par extrusion de matière, encore appelée « material extrusion » en anglais dont font notamment partie les technologies Fused déposition Modeling (FDM) ou Fused Filament Fabrication (FFF), une impression 3D par projection de liant encore appelée « binder jetting » en anglais dont fait notamment partie la technologie Drop-On-Demand (DOD), une impression 3D par fusion de lit de poudre encore appelée « powder bed fusion » en anglais dont font notamment partie les technologies de frittage sélectif laser (SLS) et de fusion sélective (SLM), une impression 3D par projection de matière « material jetting », une impression 3d par dépôt à énergie dirigée encore appelée « Directed Energy Déposition » en anglais, une impression 3d par photopolymérisation en cuve encore appelée «Vat Photopolymerization» en anglais dont fait notamment partie la technologie de stéréolithographie (SLA). Le procédé peut également être un mélange de ces différentes technologies tel que la technologie Multi Jet Fusion (MJF) qui combine la projection de liant et la fusion de lit de poudre. La méthode de fabrication additive de la pièce est de préférence le FDM.
La matière utilisée pour la fabrication additive est de préférence un polymère thermoplastique choisi par exemple dans le groupe constitué par les PAEK (Polyaryléthercétone) dont font partie le PEEK (polyétheréthercétone) et le PEKK (polyéthercétonecétone), les PEI (Polyétherimide également connu sous le nom d’ULTEM), le PPS (Polysulfure de phénylène), l’ABS (acrylonitrile butadiène styrène), le PA (polyamide), le PP (polypropylène), le PLA (acide poly lactique), le TPU (polyuréthane thermoplastique) et le PET (polyéthylène), et leurs mélanges.
Le polymère peut être amorphe et/ou semi-cristallin, chargé ou non.
Le polymère peut être chargé de fibres, notamment de fibres de carbone/de verre, de charge minérale, métallique ou végétale, notamment de billes de verre, de bois, ou être non chargé.
L’étape a) est de préférence réalisée par dépôt de fil polymère extrudé.
Le procédé peut comporter une étape préalable à la première mise en œuvre de l’étape a), consistant à scanner le support destiné à recevoir la pièce au cours de sa fabrication, avant dépôt de la première couche de la pièce. Cela permet de prendre un repère pour la fabrication ultérieure de la pièce.
Les données acquises à l’étape b) peuvent comprendre les coordonnées tridimensionnelles de la couche déposée et scannée.
L’étape c) de traitement des données peut comporter, à partir des données acquises, l’analyse d’au moins une grandeur globale afin de surveiller le procédé de fabrication additive, couche par couche. La grandeur globale est de préférence choisie parmi une épaisseur de la couche déposée, un écart type de l’épaisseur de la couche déposée, une quantité de matière déposée pour la couche, un déplacement du chariot à chaque couche déposée, la largeur moyenne des cordons de fil déposé et son écart-type lorsque la fabrication additive est réalisée par dépôt de fil polymère extrudé, une rugosité moyenne, notamment avec le paramètre Ra (hauteur moyenne arithmétique d’une ligne) ou Sa (hauteur moyenne arithmétique) et des dimensions géométriques de la couche déposée.
Les données acquises à l’étape b) de scan peuvent permettre, à l’étape c) de traitement des données, d’identifier des zones de manque de matière, de contrôler la géométrie du dépôt de matière à chaque couche, de contrôler une rugosité entre les couches, de connaître le taux de vide au sein d’une couche, de plusieurs couches ou de la pièce.
Le procédé peut comporter une étape préalable de paramétrage de la machine de fabrication additive pour la réalisation de l’étape a) avec des paramètres de consigne et sur la base de données géométriques de référence de la pièce et/ou de chaque couche de la pièce, stockées dans une mémoire.
Dans ce cas, l’étape c) de traitement comporte avantageusement une comparaison des données acquises à l’étape b) avec les paramètres de consigne et une détection d’éventuels écarts entre les données acquises et les paramètres de consigne.
Toujours dans ce cas, l’étape c) de traitement peut comporter une comparaison des données acquises à l’étape b) avec les données géométriques mémorisées de référence, afin de détecter un écart moyen du contour de la pièce par rapport aux données géométriques de référence, et/ou un écart moyen par rapport aux trajectoires de dépôt de la matière constituant la pièce.
En effet, les données acquises à l’étape b) peuvent permettre de reconnaître les contours de la couche, des couches ou de la pièce fabriquée et ainsi de reconstruire virtuellement la pièce réellement fabriquée, couche par couche, et la comparer aux données initiales de référence. Cela peut permettre d’effectuer un contrôle qualité et d’accepter ou non la pièce d’un point de vue dimensionnel.
Les trajectoires de dépôt de la matière constituant la pièce peuvent correspondre, lorsque la fabrication additive est un dépôt de fil polymère extrudé, aux trajectoires de la buse, qui est par exemple pilotée par programmation de commande numérique.
L’étape c) peut comporter la détermination de la dimension surfacique et de la profondeur de chaque défaut de manque de matière. Lorsque la dimension surfacique et la profondeur d’un défaut de manque de matière sont respectivement supérieures à des valeurs seuils prédéterminées de dimension surfacique et de profondeur, l’étape c) peut comporter l’enregistrement des données sur ce défaut, ces données comportant notamment les coordonnées, la dimension surfacique et la profondeur du défaut.
La valeur seuil prédéterminée de dimension surfacique est par exemple de 5pm * 5pm, voire supérieure à 5pm * 5pm, par exemple égale à 50pm * 50pm. La valeur seuil prédéterminée de profondeur peut être de 10pm, voire supérieure à 10pm, par exemple égale à lOOpm. Le procédé peut encore comporter la mise au rebut de la pièce, même non terminée, dès lors que l’étape c) de traitement conduit à déterminer la présence d’un nombre de défauts supérieur à une valeur seuil prédéterminée et/ou la présence d’au moins un défaut de dimensions supérieures à une valeur seuil prédéterminée, les valeurs seuils étant prédéterminées pour une pièce donnée.
Cela permet d’économiser du temps de procédé et de la matière qui serait sinon utilisée pour terminer la pièce. En effet, la mise en œuvre du procédé est relativement longue, pouvant être de plusieurs heures, et la matière, notamment polymère, utilisée est relativement chère. Le gain réalisé, dès lors qu’une pièce présente un défaut majeur ou un ensemble de défauts la rendant non conforme au niveau de qualité attendu, peut être ainsi substantiel si on peut la mettre au rebut dès détermination de sa non-conformité, en cours de fabrication.
Le procédé peut comporter une étape de réparation dudit au moins un défaut de manque de matière par ajout de matière.
Lorsque cette possibilité de réparation est prévue, on peut ainsi suivre les défauts de manque de matière de la pièce et réparer le ou les défauts de manque de matière par ajout de matière, en cours de fabrication de la pièce, à l’endroit opportun.
Lorsqu’une mise au rebut et une réparation sont possibles, le procédé peut permettre de choisir entre ces deux possibilités en cas de détection de défaut(s) de manque de matière sur une ou plusieurs couches données, ou de choisir de poursuivre la fabrication sans réparation, si le ou les défauts n’altèrent pas de façon critique la qualité, de par leurs dimensions et/ou leur nombre.
L’étape de réparation peut être mise en œuvre entre l’étape c) de traitement et l’étape d) consistant à réaliser une nouvelle étape a), à savoir effectuer le dépôt d’au moins une nouvelle couche sur la précédente. Cette réparation peut avoir lieu après réalisation d’une couche ou de plusieurs couches ou encore d’une portion de couche en cours de dépôt, après scan et traitement des données.
La matière ajoutée peut être différente de la matière déposée pour chaque couche à l’étape a), étant de préférence plus fluide Elle est de préférence compatible. Elle peut être de même nature. On peut établir des paires de matières pouvant être utilisées, l’une des matières pouvant être distribuée par la buse utilisée pour le dépôt des couches de matière et l’autre des matières pouvant être distribuée par une deuxième buse pour la réparation d’un ou plusieurs défauts de manque de matière. En variante, la même buse peut permettre de déposer les couches de matière pour former la pièce et effectuer le dépôt de matière pour la réparation d’un ou plusieurs défauts de manque de matière.
Ainsi, dans le cas des matériaux de la famille des PEKK, dans un exemple, la buse extrude et dépose un fil en polymère de type PEKK 6003, tandis que la deuxième buse extrude et dépose un polymère de type PEKK 6004 plus fluide. Dans un autre exemple, la buse extrude et dépose un fil en polymère chargé de fibres de carbone de type PEKK 6004 CF, tandis que la deuxième buse extrude et dépose un polymère non chargé de type PEKK 6004. En variante, le même matériau, par exemple le PEKK 6004 CF, peut être déposé par l’une et l’autre des buses.
La deuxième buse peut être de diamètre réduit par rapport à la buse principale pour combler des zones de petites dimensions correspondant aux défauts de manque de matière.
La réparation des défauts de manque de matière par ajout de matière, notamment à l’aide de la deuxième buse, peut être particulièrement avantageuse pour des pièces de grandes dimensions. En effet, pour fabriquer des pièces de grandes dimensions, on augmente généralement les dimensions du dépôt, en largeur et en hauteur. L’augmentation de la largeur peut faire que la trajectoire ne remplit pas correctement toutes les zones. Le fait de faire de l’ajout de matière dans les zones où il manque de la matière, par l’utilisation notamment d’une deuxième buse, permet de combler ces trous non souhaités.
Machine de fabrication additive
L’invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, en combinaison avec ce qui précède, une machine de fabrication additive pour la mise en œuvre du procédé tel que défini plus haut, la fabrication additive étant de préférence une impression par extrusion de matière (FDM, FFF), la machine comportant :
un support pour la pièce à fabriquer,
au moins une bobine de fil en matière polymère,
une buse pour l’extrusion et le dépôt du fil afin de former la pièce, un chariot sur lequel est fixée la buse,
au moins l’un du chariot et du support étant mobile selon au moins deux axes, notamment trois axes, relativement à l’autre, un outil de scan, de préférence un profilomètre, notamment laser, fixe relativement au chariot. La machine de fabrication additive peut comporter une enceinte, notamment fermée. Dans ce cas, le support peut être dans l’enceinte, et le profilomètre est de préférence hors de l’enceinte, la buse débouchant dans l’enceinte. Le chariot peut former tout ou partie d’une paroi de l’enceinte, et/ou être solidaire d’une telle paroi.
L’enceinte peut être chauffée ou non et sa température de chauffage, le cas échéant peut varier, en fonction des matières utilisées pour la fabrication additive (ou matériaux). Pour certaines matières, il est préférable qu’elle soit chauffée. Cependant, certaines matières ne nécessitent pas d’enceinte chauffée.
La température de chauffage de l’enceinte est par exemple définie en fonction de la Tg (température de transition vitreuse) de la matière utilisée pour la fabrication additive. Par exemple, pour G ABS, on peut chauffer l’enceinte à une température comprise entre 50°C et 100°C. Pour du PEKK, la température de l’enceinte sera égale à 150°C environ.
La température de chauffage de l’enceinte peut aller jusqu’à 250°C.
L’enceinte peut notamment être chauffée pour éviter les déformations engendrées par des gradients trop importants de température dans la pièce au cours de sa fabrication.
La machine de fabrication additive peut encore comporter une paroi, formant par exemple partie d’une paroi de l’enceinte, transparente à la longueur d’onde du profilomètre, disposée de manière à permettre le scan par le profilomètre d’au moins une partie de la pièce au travers de cette paroi.
Lorsqu’il y a possibilité de réparation, la machine peut comporter une deuxième buse pour la réparation de défaut de manque de matière, la deuxième buse ayant de préférence un diamètre inférieur à celui de la buse. La deuxième buse peut être adaptée pour déposer une matière, notamment polymère, plus fluide que celle de la buse pour déposer les couches de la pièce. En variante, la buse pour l’extrusion et le dépôt du fil peut servir également pour la réparation de défaut de manque de matière.
Brève description des dessins
L’invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d’exemples de mise en œuvre non limitatifs de celle-ci, et à l’examen du dessin annexé, sur lequel :
[Fig 1] la figure 1 représente schématiquement un exemple de machine de fabrication additive selon l’invention, [Fig 2] la figure 2 représente en schéma bloc les étapes d’une mise en œuvre particulière du procédé de fabrication additive selon l’invention,
[Fig 3] la figure 3 est une vue schématique d’un exemple de pièce réalisée avec le procédé de fabrication additive selon l’invention,
[Fig 4] la figure 4 est un graphe de données issues de l’étape de scan dans la mise en œuvre du procédé pour plusieurs pièces selon la figure 3,
[Fig 5] la figure 5 est un graphe de données issues de l’étape de scan dans la mise en œuvre du procédé pour plusieurs pièces selon la figure 3,
[Fig 6] la figure 6 est un graphe de données issues de l’étape de scan dans la mise en œuvre du procédé pour plusieurs pièces selon la figure 3,
[Fig 7] la figure 7 est un graphe de données issues de l’étape de scan dans la mise en œuvre du procédé pour plusieurs pièces selon la figure 3,
[Fig 8] la figure 8 comporte plusieurs images schématiques résultant du traitement de données issues de l’étape de scan, pour différentes couches de la pièce de la figure 3, au cours de la mise en œuvre du procédé selon l’invention,
[Fig 9] la figure 9 est une photographie agrandie illustrant une portion de la pièce de la figure 3,
[Fig 10] la figure 10 représente en schéma bloc les étapes d’un autre exemple de mise en œuvre du procédé de fabrication additive selon l’invention, et
[Fig 11] la figure 11 représente schématiquement un exemple de machine de fabrication additive pour la mise en œuvre du procédé illustré sur la figure 10, et
[Fig 12] la figure 12 représente schématiquement le résultat du scan d’un exemple de pièce à réparer à l’aide du procédé selon l’invention.
Description détaillée
On a illustré à la figure 1 une machine 1 de fabrication additive pour réaliser une pièce P en couche par couche. Dans l’exemple illustré, la technique de fabrication additive est un procédé d’impression par dépôt de filament fondu, technologie appelée FDM, ou encore FFF.
La machine 1 comporte une armoire 10 représentée en pointillés sur cette figure. La machine 1 comporte, logés dans l’armoire 10, un support 2 pour la pièce P à fabriquer, au moins une bobine 3 de fil 4 en matière polymère, une buse 5 pour l’extrusion et le dépôt du fil 4 afin de former la pièce P, un chariot 6 sur lequel est fixée la buse 5. Au moins l’un du chariot 6 et du support 2 est mobile selon au moins deux axes X, Y, dans cet exemple selon trois axes X, Y et Z, relativement à l’autre. Dans l’exemple illustré, le chariot 6 est mobile relativement au support 2, mais on ne sort pas du cadre de l’invention si c’est le support 2 qui est mobile et le chariot 6 qui est fixe, ou si tous deux, chariot 6 et support 2, sont mobiles l’un relativement à l’autre.
La machine 1 comporte encore un outil de scan consistant dans cet exemple en un profilomètre 7, dans cet exemple laser, notamment de classe 2, fixe relativement au chariot 6. Le profilomètre 7 permet de scanner la pièce P et d’acquérir des données topographiques de la pièce P, en couche par couche par exemple. Le profilomètre choisi dans cet exemple a une zone d’observation de 39mm de large, pour obtenir une résolution de 0,05 mm. On peut changer la tête de mesure du profilomètre pour agrandir la largeur scannée, ce qui va dans le sens d’une baisse de résolution, ou pour la diminuer, afin d’augmenter la résolution. Pour scanner une pièce dont les dimensions sont plus grandes que la largeur mesurée, on effectue plusieurs passes.
La machine 1 comprend, dans l’armoire 10, une enceinte 11, fermée. Dans cet exemple, l’enceinte 11 est chauffée, à une température d’environ 150°C, pour une matière utilisée pour la fabrication additive consistant en du PEKK. L’enceinte 11 contient le support 2 qui porte la pièce P, ici représentée avec plusieurs couches C déposées. Le profilomètre 7 est situé en dehors de l’enceinte 11, dans un espace 13 de la machine 1 qui est régulé en température. La machine 1 comporte une portion de paroi 12 transparente à la longueur d’onde du profilomètre 7, disposée de manière à permettre le scan par le profilomètre 7 d’au moins une partie de la pièce P au travers de cette portion de paroi 12. La portion de paroi 12 peut être solidaire du chariot 6 sur lequel sont fixés la buse 5 et le profilomètre 7. La buse 5 débouche dans l’enceinte 11 pour le dépôt de matière afin de fabriquer la pièce en couche par couche.
La machine 1 comporte encore un système informatique 15 relié au moins au profilomètre 7 afin de recueillir des données de sa part, à la bobine 3 pour commander le dépôt de matière et au chariot 6 de manière à commander le déplacement en X, Y et Z de celui-ci. En variante, le système informatique 15 relié au profilomètre 7 peut ne pas être le même que celui qui pilote la machine 1, mais ces deux systèmes informatiques peuvent communiquer entre eux lorsque nécessaire, par exemple en cas d’arrêt machine. La machine 1 de fabrication additive est utilisée pour mettre en œuvre le procédé de fabrication additive qui va être décrit en référence à la figure 2 qui en illustre les étapes.
Le procédé de fabrication additive de la pièce P comporte une première étape 20 comportant le scan, à l’aide du profilomètre 7, du support 2, avant dépôt de la première couche C de la pièce P. On effectue cette mesure pour obtenir une distance de référence entre le profilomètre et le support, c’est une étape d’étalonnage. Cette acquisition de données relative au support 2 peut être omise dans une variante de mise en œuvre de l’invention.
On réalise ensuite une première couche de la pièce P, par dépôt d’un fil extrudé de matière polymère à l’aide de la buse 5, dans une étape 21. On déplace le chariot 6 relativement au support 2 pour effectuer le dépôt de matière à l’endroit souhaité.
Dans une étape 22, on scanne la première couche C de la pièce P qui a été déposée à l’étape 21, à l’aide du profilomètre 7, au travers de la paroi 12 transparente. Le faisceau F est visible sur la figure 1. On peut déplacer le chariot 6 relativement au support 2 pour effectuer le scan.
Dans une étape 23, on effectue un traitement des données acquises pour détecter et géolocaliser au moins un défaut de manque de matière, si un ou plusieurs défauts de ce type sont présents sur la première couche C déposée à l’étape 21.
Comme illustré, on peut réaliser plusieurs fois les étapes 21 et 22 avant de mettre en œuvre l’étape 23. On peut, de manière additionnelle ou en variante, comme illustré, renouveler les étapes 21 et 22 après mise en œuvre de l’étape 23 jusqu’à réalisation de toutes les couches de la pièce P.
Dans une variante, l’étape 21 consiste à déposer non pas une mais plusieurs couches C avant d’effectuer l’étape 22 de scan. Dans une autre variante, le scan de l’étape 22 est effectué dès que la matière est déposée, avant réalisation de la couche C en entier, au fur et à mesure du dépôt de celle-ci.
Le scan effectué à l’étape 22 permet d’acquérir des données topographiques de la couche C déposée. On peut obtenir les coordonnées en X, Y et Z de la couche C supérieure de la pièce en cours de fabrication, couche qui vient d’être déposée, par exemple.
L’étape 23 de traitement des données comporte notamment, à partir des données acquises, l’analyse d’une ou plusieurs grandeurs globales afin de surveiller le procédé de fabrication additive, couche par couche. Parmi les grandeurs globales analysées, on peut citer une épaisseur de la couche C déposée, un écart type de l’épaisseur de la couche C déposée, une quantité de matière déposée pour la couche C et un déplacement du chariot 6 et/ou du support à chaque couche C déposée, une rugosité moyenne, une largeur moyenne des cordons de fil déposé.
Au cours de l’étape 20, dans l’exemple illustré, on effectue également le paramétrage de la machine 1 de fabrication additive pour la réalisation de l’étape 21 avec des paramètres de consigne et sur la base de données géométriques de référence de la pièce P et/ou de chaque couche C de la pièce P, stockées dans une mémoire du système informatique 15.
L’étape 23 de traitement comporte une comparaison des données acquises à l’étape 22 avec les paramètres de consigne et une détection d’éventuels écarts entre les données acquises et les paramètres de consigne.
L’étape 23 de traitement comporte encore une comparaison des données acquises à l’étape 22 avec les données géométriques mémorisées de référence, afin de détecter un écart moyen du contour de la pièce P par rapport aux données géométriques de référence et/ou un écart moyen par rapport aux trajectoires de dépôt de matière constituant pièce P, programmée en amont de la fabrication. L’étape 23 comporte également la détermination de la dimension surfacique et de la profondeur de chaque défaut de manque de matière détecté et, lorsque la dimension surfacique et la profondeur d’un défaut de manque de matière sont respectivement supérieures à des valeurs seuils prédéterminées de dimension surfacique et de profondeur, l’enregistrement des données sur ce défaut, ces données comportant notamment les coordonnées, la dimension surfacique et la profondeur du défaut.
La valeur seuil prédéterminée de dimension surfacique est dans l’exemple illustré de 50pm * 50pm et la valeur seuil prédéterminée de profondeur est de lOOpm.
Après mise en œuvre d’une étape 23 de traitement des données, on répond à une question Q1 sur la présence d’un nombre de défauts supérieur à une valeur seuil prédéterminée et/ou la présence d’au moins un défaut de dimensions supérieures à une valeur seuil prédéterminée, les valeurs seuils étant prédéterminées pour une pièce P donnée. Si la réponse à la question Q1 est qu’il existe un nombre de défauts supérieur à la valeur seuil prédéterminée et/ou la présence d’au moins un défaut de dimensions supérieures à la valeur seuil prédéterminée, NOK sur le schéma de la figure 2, alors le procédé conduit à l’étape 24 de mise au rebut de la pièce P, non terminée. Sinon, OK sur le schéma de la figure 2, la pièce P est terminée, en recommençant les étapes 21 et 22.
A la fin de la réalisation de la pièce P, une question Q2 similaire à la question Q1 est posée. Si la réponse à la question Q2 est qu’il existe un nombre de défauts supérieur à la valeur seuil prédéterminée et/ou la présence d’au moins un défaut de dimensions supérieures à la valeur seuil prédéterminée, NOK sur le schéma de la figure 2, alors le procédé conduit à l’étape 24 de mise au rebut de la pièce P, non terminée. Sinon, OK sur le schéma de la figure 2, la pièce P terminée est validée dans une étape 25.
Le contrôle effectué pendant la fabrication selon le procédé selon l’invention est une forme de contrôle non destructif, encore appelé CND, mais qui a lieu tout au long de la fabrication contrairement au contrôle non destructif habituel qui se fait sur la pièce finie. Cette étape du contrôle non destructif habituel sur pièce finie n’est ainsi pas nécessaire, grâce à l’invention, ce qui permet d’une part d’économiser cette étape finale habituelle et d’autre part de ne pas avoir à investir dans le système de CND permettant de la mettre en œuvre, système qui est généralement coûteux.
On a représenté sur la figure 3 une pièce P, consistant en une éprouvette de traction, réalisée à l’aide du procédé selon l’invention, mis en œuvre par la machine 1 de fabrication additive selon l’invention.
Trois pièces P consistant en des éprouvettes de traction respectivement nommées Ep_A, Ep_B et Ep_C sur le modèle de la pièce P illustrée sur la figure 3 ont été réalisées avec la machine 1 et la mise en œuvre du procédé selon l’invention, avec les mêmes paramètres et valeurs de consigne.
La figure 8 illustre plusieurs des couches C scannées de l’éprouvette Ep_C. L’image intitulée 8A illustre la deuxième couche déposée et scannée, l’image intitulée 8B représente la troisième couche, l’image 8C la quatrième couche, l’image 8D la cinquième couche, l’image 8E la sixième couche, l’image 8F la septième couche, l’image 8G la douzième couche et l’image 8H la treizième couche. On visualise sur les images 8B à 8H une zone entourée avec au moins un défaut visible de manque de matière.
Les figures 4 à 7 illustrent des graphes représentant au moins une partie du résultat de traitement de données acquises sur la pièce P au cours de sa fabrication, après dépôt de chaque couche C, par scan, pour chacune des éprouvettes Ep_A, Ep_B et Ep_C. Le graphe de la figure 4 représente le volume V exprimé en mm3 en fonction du rang n de chaque couche C. Le graphe de la figure 5 illustre la hauteur H moyenne par couche, exprimée en mm, en fonction du rang n de chaque couche C. Le graphe de la figure 6 illustre le déplacement du chariot, Dp, exprimé en mm, en fonction du rang n de chaque couche C. Le graphe de la figure 7 représente l’écart-type de la hauteur de couche, Dev, exprimé en mm, en fonction du rang n de chaque couche C. Le rang n correspond au numéro de la couche C déposée. La première couche déposée a le rang 1, la deuxième couche, déposée sur la première couche, a le rang 2, etc, jusqu’au rang le plus élevé qui correspond à la dernière couche déposée pour la réalisation de la pièce P. Sur les graphes des figures 4 à 7, les valeurs illustrées pour l’éprouvette Ep_A sont des petits carrés, celles pour l’éprouvette Ep_B sont des petits ronds, et celles pour l’éprouvette Ep_C sont des petits triangles.
On visualise sur les figures 5 et 7 des valeurs aberrantes pour l’éprouvette Ep_C, entourées sur les graphes, ce qui montre un défaut de hauteur de couche et un écart type très important, également visible sur la figure 8 comme indiqué ci-dessus.
Une portion de pièce P a été illustrée sur la figure 9 pour représenter la détection de défauts D, repérés par des petites croix sur cette figure, de manque de matière. Lorsque des défauts de type manque de matière sont localisés par scan et traitement des données de scan, on les compare à des valeurs seuils, par exemple de dimensions supérieures à 5pm * 5pm et de profondeur supérieure à 10pm. Lorsqu’un défaut a une taille supérieure à au moins l’une des valeurs seuils, on enregistre ses coordonnées ainsi que sa taille (en surface) et sa profondeur. Cela peut permettre de prendre des décisions quant à la conservation et à la poursuite de fabrication de la pièce P ou à sa mise au rebut.
On a représenté sur la figure 10 un autre exemple de mise en œuvre du procédé selon l’invention. Dans cet exemple, le procédé comporte les mêmes étapes que celles illustrées sur la figure 2, mais comporte également une étape de réparation de défaut(s) de manque de matière comme cela va être expliqué ci-après.
En effet, comme illustré sur cette figure, lorsqu’à la question Q1 ou à la question Q2, la réponse est NOK, une question Q3 sur la possibilité de réparer le ou les défauts de manque de matière est posée. Si la réponse à cette question Q3 est oui, alors OK sur le schéma, la couche C concernée par le défaut et/ou la pièce P est réparée par ajout de matière dans une étape 26. En revanche, si la réponse à cette question Q3 est non, alors NOK sur le schéma, la pièce, terminée ou non, est mise au rebut.
Il est à noter qu’on peut classer dans la présente invention les données acquises par scan en deux catégories permettant deux types d’analyse. D’une part, les grandeurs globales par couche, mentionnées plus haut, peuvent être acquises et analysées, notamment comparées aux valeurs de référence et valeurs de consigne, pour surveiller le procédé de fabrication additive. D’autre part, les défauts de manque de matière, notamment ceux qui peuvent être corrigés, peuvent être détectés et géo localisés pour être traités, notamment par ajout de matière.
Pour la mise en œuvre du procédé illustré sur la figure 10, on peut utiliser la machine 1 de fabrication additive illustrée sur la figure 11 qui comporte une deuxième buse 16 alimentée en un deuxième fil 17 en matière polymère par une deuxième bobine 18. Le deuxième fil 17 est réalisé, dans l’exemple illustré, dans une matière polymère plus fluide que le fil 4. La deuxième buse 16 a un plus petit diamètre que la buse 5.
On peut réparer, si besoin, le ou les défauts de manque de matière après réalisation d’une couche, ou de plusieurs couches, ou même en cours de réalisation d’une couche non entièrement déposée sur la précédente ou sur le support 2. Lorsqu’on effectue la réparation après réalisation d’une couche, on peut ensuite déposer une nouvelle couche par dessus, puis effectuer le scan, puis le traitement de données et une nouvelle éventuelle réparation, et ainsi de suite jusqu’à réalisation de la pièce.
On a représenté sur la figure 12, schématiquement, une couche d’une pièce visualisée après son dépôt, le scan et le traitement des données. Le contour R de la pièce est visible. On visualise également le remplissage I de la couche qui est à l’intérieur du contour R et l’on détecte des zones avec défauts D de manque de matière entre le contour R et le remplissage I, à leur jonction. Il est à noter qu’un certain recouvrement entre les deux zones R et I peut permettre de combler une partie de ces défauts, mais, comme visible sur cette figure, certains défauts D de manque de matière subsistent. On ne peut pas effectuer trop de recouvrement, lors du dépôt de matière, car cela peut causer une dégradation de la surface.
Un avantage de l’invention, lorsque le procédé comporte la réparation, est qu’il permet de réparer une zone défectueuse par manque de matière en cours de fabrication de la pièce. Un autre avantage est que l’on peut réduire la porosité au niveau des zones de recouvrement entre le contour et le remplissage. Un avantage encore est de permettre de limiter le nombre de pièces mises au rebut car possédant trop de défauts de manque de matière ou un ou plusieurs défauts de manque de matière de trop grandes dimensions.
L’invention n’est pas limitée aux exemples qui viennent d’être décrits.
En particulier le procédé de fabrication additive peut être autre que la technologie FDM.
En particulier, le procédé de fabrication additive peut consister en une impression 3D par projection de liant encore appelée « binder jetting » en anglais dont fait notamment partie la technologie Drop-On-Demand (DOD), une impression 3D par fusion de lit de poudre encore appelée « powder bed fusion » en anglais dont font notamment partie les technologies de frittage sélectif laser (SLS) et de fusion sélective (SLM), une impression 3D par projection de matière « material jetting », une impression 3d par dépôt à énergie dirigée encore appelée « Directed Energy Déposition » en anglais, une impression 3d par photopolymérisation en cuve encore appelée «Vat Photopolymerization» en anglais dont fait notamment partie la technologie de stéréolithographie (SLA). Le procédé peut également être un mélange de ces différentes technologies tel que la technologie Multi Jet Fusion (MJF) qui combine la projection de liant et la fusion de lit de poudre.

Claims

Revendications
1. Procédé de fabrication additive en couche par couche d’une pièce (P) avec une machine (1) de fabrication additive, la fabrication additive étant une impression par extrusion de matière, le procédé comportant les étapes suivantes :
a) déposer au moins une couche de matière sur un support (2) pour la fabrication de la pièce (P),
b) scanner ladite au moins une couche pour acquérir des données topographiques sur ladite au moins une couche,
c) effectuer un traitement des données acquises pour détecter et géolocaliser au moins un défaut de manque de matière, si un ou plusieurs défauts de ce type sont présents sur ladite au moins une couche, d) renouveler les étapes a), b) et éventuellement c) jusqu’à réalisation de la pièce (P),
l’étape a) de dépôt de ladite au moins une couche de matière étant effectuée à l’aide d’une buse (5) fixée à un chariot (6), ledit chariot (6) étant mobile selon au moins deux axes (X, Y) relativement au support (2),
l’étape b) de scan étant mise en œuvre à l’aide d’un outil de scan, l’outil de scan étant fixe relativement au chariot (6).
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la machine (1) de fabrication additive comporte une enceinte (11), ledit support (2) étant présent dans l’enceinte (11).
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, l’étape b) de scan étant mise en œuvre à l’aide d’un outil de scan choisi dans le groupe constitué par un profilomètre (7), notamment un profilomètre laser, un capteur de distance, une caméra, un profilomètre mécanique et un scanner 3D, de préférence par projection de lumière structurée, apte à scanner la pièce (P).
4. Procédé selon les revendications 2 et 3, dans lequel l’outil de scan est un profilomètre (7), le profilomètre (7) étant disposé en dehors de l’enceinte (11).
5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel l’étape b) de scan est mise en œuvre par le profilomètre (7) au travers d’une portion de paroi (12) transparente à la longueur d’onde du profilomètre (7).
6. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ledit chariot (6) est mobile selon trois axes orthogonaux (X, Y, Z), relativement au support (2).
7. Procédé selon les revendications 4 et 6, dans lequel le profilomètre (7) est fixé à proximité de la buse (5).
8. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la matière utilisée pour la fabrication additive est un polymère thermoplastique choisi dans le groupe constitué par les PAEK (Polyaryléthercétone) dont font partie le PEEK (polyétheréthercétone) et le PEKK (polyéthercétonecétone), les PEI (Polyétherimide également connu sous le nom d’ULTEM), le PPS (Polysulfure de phénylène), l’ABS (acrylonitrile butadiène styrène), le PA (polyamide), le PP (polypropylène), le PLA (acide poly lactique), le TPU (polyuréthane thermoplastique) et le PET (polyéthylène).
9. Procédé selon Tune quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’étape a) est réalisée par dépôt de fil polymère extrudé.
10. Procédé selon Tune quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’étape c) de traitement des données comporte, à partir des données acquises, l’analyse d’au moins une grandeur globale afin de surveiller le procédé de fabrication additive, couche par couche, la grandeur globale étant de préférence choisie parmi une épaisseur de la couche déposée, un écart type de l’épaisseur de la couche déposée, une quantité de matière déposée pour la couche, un déplacement du chariot (6) à chaque couche déposée, la largeur moyenne des cordons de fil déposé et son écart-type lorsque la fabrication additive est réalisée par dépôt de fil polymère extrudé, une rugosité moyenne et des dimensions géométriques de la couche déposée.
11. Procédé selon Tune quelconque des revendications précédentes, comportant une étape préalable de paramétrage de la machine de fabrication additive pour la réalisation de l’étape a) avec des paramètres de consigne et sur la base de données géométriques de référence de la pièce et/ou de chaque couche de la pièce, stockées dans une mémoire.
12. Procédé selon la revendication précédente, l’étape c) de traitement comportant une comparaison des données acquises à l’étape b) avec les paramètres de consigne et une détection d’éventuels écarts entre les données acquises et les paramètres de consigne.
13. Procédé selon la revendication 11 ou 12, l’étape c) de traitement comportant une comparaison des données acquises à l’étape b) avec les données géométriques mémorisées de référence, afin de détecter un écart moyen du contour de la pièce par rapport aux données géométriques de référence, et/ou un écart moyen par rapport aux trajectoires de dépôt de la matière constituant la pièce.
14. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, l’étape c) comportant la détermination de la dimension surfacique et de la profondeur de chaque défaut de manque de matière et, lorsque la dimension surfacique et la profondeur d’un défaut de manque de matière sont respectivement supérieures à des valeurs seuils prédéterminées de dimension surfacique et de profondeur, l’enregistrement des données sur ce défaut, ces données comportant notamment les coordonnées, la dimension surfacique et la profondeur du défaut.
15. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel la valeur seuil prédéterminée de dimension surfacique est de 5pm * 5pm et la valeur seuil prédéterminée de profondeur est de 10pm.
16. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant la mise au rebut de la pièce, même non terminée, dès lors que l’étape c) de traitement conduit à déterminer la présence d’un nombre de défauts supérieur à une valeur seuil prédéterminée et/ou la présence d’au moins un défaut de dimensions supérieures à une valeur seuil prédéterminée, les valeurs seuils étant prédéterminées pour une pièce donnée.
17. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant une étape de réparation dudit au moins un défaut de manque de matière par ajout de matière.
18. Procédé selon la revendication précédente, l’étape de réparation étant mise en œuvre entre l’étape c) de traitement et l’étape d) consistant à réaliser une nouvelle étape a), à savoir effectuer le dépôt d’au moins une nouvelle couche sur la précédente.
19. Procédé selon l’une des deux revendications immédiatement précédentes, dans lequel la matière ajoutée est différente de la matière déposée pour chaque couche à l’étape a), étant de préférence plus fluide.
20. Machine (1) de fabrication additive pour la mise en œuvre du procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, la machine comportant :
un support (2) pour la pièce (P) à fabriquer,
au moins une bobine (3) de fil (4) en matière polymère, une buse (5) pour l’extrusion et le dépôt du fil (4) afin de former la pièce
(P),
un chariot (6) sur lequel est fixée la buse (5),
au moins l’un du chariot (6) et du support (2) étant mobile selon au moins deux axes (X, Y), notamment trois axes (X, Y, Z), relativement à l’autre, un profilomètre (7) laser fixe relativement au chariot (6).
21. Machine (1) selon la revendication précédente, comportant une deuxième buse (16) pour la réparation de défaut de manque de matière, la deuxième buse (16) ayant un diamètre inférieur à celui de la buse (5).
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