FR3057794B1 - Perfectionnements a la fabrication additive selective - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un appareil pour fabriquer un objet tridimensionnel par fabrication additive comportant dans une enceinte : - un support pour le dépôt des couches successives de poudre de fabrication additive, - un arrangement de distribution adapté pour appliquer une couche de poudre sur ledit plateau ou sur une couche précédemment consolidée, - au moins une source d'énergie adaptée à la consolidation sélective d'une couche de poudre appliquée par l'arrangement de distribution, caractérisé en ce qu'il comporte une chambre d'ionisation située au voisinage d'au moins un module et/ou composant optique/électronique à protéger des dépôts, sur le trajet de la vapeur chargée remontant vers ledit module et/ou composant dans l'enceinte.

Description

PERFECTIONNEMENTS A LA FABRICATION ADDITIVE SELECTIVE

La présente invention est relative à la fabrication additive sélective.

DOMAINE TECHNIQUE GÉNÉRAL ET ART ANTÉRIEUR

La fabrication additive sélective consiste à réaliser des objets tridimensionnels par consolidation de zones sélectionnées sur des strates successives de matériau pulvérulent (poudre métallique, poudre de céramique). Les zones consolidées correspondent à des sections successives de l'objet tridimensionnel. La consolidation se fait, couche par couche, par une fusion sélective totale ou partielle réalisée avec une source de consolidation. Cette source est classiquement une source de rayonnement (par exemple un faisceau laser de forte puissance) ou encore une source de faisceau de particules (par exemple un faisceau d'électrons - technologie dite EBM ou « Electron Beam Melting » selon la terminologie anglo-saxonne généralement utilisée dans le domaine).

Il a également récemment été proposé des machines hybrides dans lesquelles on utilise plusieurs sources d'énergie pour réaliser la fusion sélective. Par exemple, la source primaire est un canon à électrons, qui est utilisé pour réaliser la fusion sélective au niveau du cœur de l'objet. Il est complété par une source secondaire, qui est une source laser et qui est utilisée, couche après couche, pour réaliser la fusion sélective au niveau des zones de peau ou de bordure. De cette façon, il est possible d'obtenir un objet présentant des propriétés mécaniques ou métallographiques différentes au niveau par exemple de sa périphérie (bordure ou peau) et dans son volume (cœur). Un exemple en ce sens est décrit dans la demande de brevet WO2013/092997.

Dans les procédés de fabrication additive sélective, la vapeur, à l'état atomique ou sous forme d'amas d'atomes allant jusqu'à la poudre (également appelés « clusters »), est produite par la vaporisation de la surface sous l'effet du faisceau primaire (électrons ou laser) intense. Cette vapeur est essentiellement neutre, car le processus d'évaporation a lieu, en général, à l'équilibre thermodynamique.

Or, à la pression atmosphérique ou sous vide, la vapeur chargée ainsi constituée a une forte capacité à se déposer (condensation) sur tout matériau solide avec lequel cette vapeur rentre en contact, et en particulier sur tous les métaux mais également sur les matériaux diélectriques (céramiques, verre, plastique, etc.) ou semi-conducteurs (silicium, germanium, GaAs, etc.).

Les particules de cette vapeur se propagent donc vers les parois de manière balistique à basse pression ou diffusive jusqu'à la pression atmosphérique.

Les dépôts qui en résultent sont particulièrement néfastes.

Ils conduisent à la formation, sur les éléments optiques à l'intérieur des enceintes de fabrication (miroirs, lentilles, optiques de caméras, etc...) de couches minces qui sont opaques pour des longueurs d'ondes allant de l'ultraviolet à l'infrarouge, donc incluant le visible.

Plus généralement, ces dépôts encrassent tous les autres composants et ne sont pas souhaitables.

En outre, ces formations de dépôt sont d'autant plus importantes à basse pression car le libre parcours moyen des espèces est alors très grand, voir comparable avec les dimensions de l'enceinte de la machine.

Pour lutter contre les effets de ces dépôts, il est déjà connu de prévoir devant les optiques des caméras des films de protection déroulants et sacrificiels, qu'un opérateur peut avancer au fur et à mesure de leur encrassement.

Cette solution n'est pas pleinement satisfaisante. D'un point de vue mécanique, elle est complexe à mettre en œuvre dans une enceinte de fabrication additive.

En outre, les films de protection placés devant les optiques empêchent d'obtenir des images optimisées.

PRESENTATION GENERALE DE L'INVENTION

Un but général de l'invention est de pallier ces problématiques de dépôt.

Plus particulièrement, l'invention propose une solution permettant de limiter fortement les dépôts de vapeurs chargées dans les enceintes de fabrication additive sélective.

Elle propose en outre une solution permettant de protéger contre ces dépôts les optiques utilisées à l'intérieur des enceintes et plus généralement permettant de protéger toute autre surface sensible indépendamment de sa nature. Également, l'invention propose une solution qui ne présente pas les inconvénients des solutions de l'art antérieur.

Notamment, selon un premier aspect, l'invention propose un appareil pour fabriquer un objet tridimensionnel par fabrication additive sélective comportant dans une enceinte : - un support pour le dépôt des couches successives de poudre de fabrication additive, - un arrangement de distribution adapté pour appliquer une couche de poudre sur ledit plateau ou sur une couche précédemment consolidée, - au moins une source adaptée à la consolidation sélective d'une couche de poudre appliquée par l'arrangement de distribution, caractérisé en ce qu'il comporte une chambre d'ionisation située au voisinage d'au moins un module et/ou composant optique/électronique à protéger des dépôts, sur le trajet de la vapeur chargée remontant vers ledit module et/ou composant dans l'enceinte.

Un tel appareil trouve avantageusement application dans le cas où l'enceinte est une enceinte sous vide, mais s'applique également dans le cas où la fabrication est réalisée à pression atmosphérique ou à des pressions inférieures. L'ionisation peut etre realisee par une source d'electrons ou par une source de photons.

PRÉSENTATION DES FIGURES D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description qui suit, laquelle est purement illustrative et non limitative, et doit être lue en regard des figures annexées sur lesquelles : - la figure 1 est une représentation schématique d'un appareil de fabrication additive sélective conforme à un mode de réalisation possible de l'invention ; - la figure 2 illustre de façon générale une configuration possible pour l'écran thermique et la chambre d'ionisation d'un appareil du type de celui de la figure 1 ; - les figures 3 et 4 illustrent deux modes de réalisation possibles pour la chambre d'ionisation d'un appareil du type de celui de la figure 1.

DESCRIPTION D'UN OU PLUSIEURS MODES DE MISE EN ŒUVRE ET DE RÉALISATION Généralités L’appareil 1 de fabrication additive sélective de la figure 1 comprend : - un support tel qu'un plateau horizontal 3 sur lequel sont déposées successivement les différentes couches de poudre de fabrication additive (poudre métallique, poudre de céramique, etc.) permettant de fabriquer un objet tridimensionnel (objet 2 en forme de sapin sur la figure), - un réservoir de poudre 7 situé au-dessus du plateau 3, - un arrangement 4 pour la distribution de ladite poudre métallique sur le plateau, cet arrangement 4 comportant notamment une raclette 5 pour étaler les différentes couches successives de poudre (déplacement selon la double flèche A), - un ensemble 8 de sources d'energie pour la fusion (totale ou partielle) des couches fines étalées, - une unité de contrôle 9 qui assure le pilotage des différents composant de l'appareil 1 en fonction d'informations pré-mémorisées (mémoire M), - un mécanisme 10 pour permettre de descendre le support du plateau 3 au fur et à mesure du dépôt des couches (déplacement selon la double flèche B).

Dans l'exemple décrit en référence à la figure 1, l’ensemble 8 comprend deux sources de consolidation: - un canon à faisceau d’électrons 11 et - une source 12 de type laser.

En variante, l'ensemble 8 peut ne comprendre qu'une source, par exemple une source d'énergie localisée sous vide ou à basse pression : canon à électrons, source laser, etc...

Un miroir galvanométrique 14 permet d’orienter et de déplacer le faisceau laser issu de la source 12 par rapport à l’objet 2 en fonction des informations envoyées par l’unité de contrôle 9.

Tout autre système de déviation peut bien entendu être envisagé.

Des bobines 15 et 16 de déflection et de focalisation permettent de défléchir et de focaliser localement le faisceau d'électrons sur les zones de couches à fritter ou fusionner.

Les composants de l’appareil 1 sont agencés à l’intérieur d’une enceinte étanche 17 reliée à une pompe à vide 18 qui maintient un vide à l’intérieur de ladite enceinte 17 (typiquement environ 10'2 / 10'3 mbar, voire 10'4/ 10'6 mbar).

Les parois de l'enceinte 17 sont de préférence en acier et sont suffisamment épaisses pour assurer la protection de l'opérateur contre les rayons X. L'enceinte 17 comporte par ailleurs des hublots (non représentés) permettant à l'opérateur de visualiser les différentes zones à l'intérieur de l'appareil, tout en assurant la protection contre les rayons X émis par le canon à électrons et contre les rayons lumineux émis par la source laser. L'appareil 1 peut en outre comprendre des moyens de mesure de la température, tels une caméra IR. ou CCD qui sont aptes à communiquer à l'unité de contrôle 9 des informations concernant la température de la couche de poudre et permettent d'ajuster ainsi les paramètres de fonctionnement du canon à électrons 11 ou de la source 12 de type laser.

Dans un exemple d'utilisation possible, le faisceau laser 19 en provenance de la source 12 consolide, couche par couche, la peau ou bordure extérieure de l'objet 2. Le faisceau d'électrons 20 généré par le canon 11 est quant à lui utilisé pour consolider la partie centrale intérieure de l'objet 2 (cœur).

La consolidation réalisée par le faisceau d'électrons 20 peut se faire couche par couche, en même temps que la consolidation en périphérie par le faisceau laser 19. Le déplacement rapide du faisceau d'électrons 20 permet en effet de balayer et consolider la partie centrale de la couche, tandis que le déplacement du faisceau laser, plus lent, s'effectue simultanément sur un trajet plus court, qui est celui du contour de ladite partie centrale. Un fonctionnement inverse peut également être envisagé (balayage du cœur par le faisceau d'électrons et d'une zone de périphérie par le faisceau laser).

En variante, la consolidation par le faisceau d'électrons 20 peut se faire sur plusieurs couches, après que chacune de ces couches aient été fusionnées en périphérie par le faisceau laser 19.

Le fonctionnement d'un tel appareil, ainsi que le dimensionnement et paramétrage de ses différents composants sont par exemple du type de ceux envisagés dans la demande WO2013/092997. L'appareil 1 comporte en outre un écran thermique T.

Cet écran T est en un matériau destiné à absorber les radiations issues de l'impact des faisceaux d'électrons sur les couches de poudre. À titre illustratif, il peut se présenter avec une forme parallélépipédique pourvue d'une ouverture dans la partie supérieure permettant le passage du faisceau primaire d'énergie (électrons, laser, etc.) et qui s'étend en s'évasant de ladite ouverture vers le plateau support.

Cette forme est par exemple une forme tronc-pyramidale ou tronconique constituée par l'assemblage de plusieurs plaques ou secteurs dans le matériau destiné à absorber les radiations, par exemple en acier.

Il peut être disposé au-dessus du plateau 2 et de la zone où les couches de poudre sont appliquées, avec un espace permettant le passage de la raclette 5.

Chambre d'ionisation

En référence plus particulièrement à la figure 2, on a référencé par 21 sa base large située au-dessus du plan de dépôt du lit de poudre et par 22 sa petite base qui définit une ouverture 22 destinée à être traversée par la source d'énergie 19 de type laser et/ou par le faisceau d'électrons 20 lorsque ceux-ci sont envoyés sur le lit de poudre.

Une chambre d'ionisation 23 est disposée au niveau de ladite ouverture 22, à la partie supérieure de l'écran thermique T.

Cette chambre 23 est définie par les parois intérieures d'une carcasse 25.

Elle débouche par une ouverture 26 à l'intérieur de l'écran thermique T, et par une ouverture 27 à l'extérieur de celui-ci.

Ces ouvertures 26, 27 sont en regard l'une de l'autre.

Les parois de ladite chambre 23 et lesdites ouvertures 26, 27 sont orientées pour permettre un trajet direct (optique, laser, etc.), à travers ladite chambre 23 et lesdites ouvertures 26, 27, entre un élément 24 à protéger (fenêtre optique transparente, capteur semi-conducteur, etc.) situé en regard de l'ouverture 27 (par exemple un élément qui s'étend en étant sensiblement normal à l'axe de l'ouverture 27), à l'extérieur de l'écran thermique, et un lit de poudre sur le plateau 3.

Différents composants ou modules optiques/électroniques peuvent être disposés au niveau de cette fenêtre optique 24. Ce peut être le cas du laser 12 et/ou du miroir 14, ou encore d'une caméra, le cas échéant associé à des lentilles optiques, permettant d'observer le plateau 3 et le déroulement de la fabrication additive.

Par ailleurs, comme l'illustrent les figures 3 et 4, la chambre d'ionisation 23 comporte au moins deux électrodes intérieures 28, 29 et une alimentation électrique 31 qui polarise lesdites électrodes.

Le champ électrique E créé entre ces électrodes 28, 29 permet de collecter les ions produits dans la vapeur chargée qui remonte jusqu'à la chambre d'ionisation 23.

Lorsque de la vapeur chargée libérée de la surface lors d'une opération de fusion remonte jusqu'à la chambre d'ionisation 23, cette vapeur est ionisée dans ladite chambre.

Le champ électrique E agit sur les ions de vapeur chargée (ions monoatomiques, agrégats, qu'ils soient créés par cette ionisation ou initialement présents) avec une force de type électrostatique (F = qE) perpendiculaire aux électrodes. Cette force induit la déflexion de la vapeur ionisée par rapport à sa trajectoire initiale d'éjection. La vapeur ionisée est alors majoritairement interceptée par les électrodes 28 et 29 : les ions positifs sont guidés par le champ E vers l'électrode ayant le potentiel le plus bas ('cathode') ; les ions négatifs, tout comme les électrons libres, sont guidés vers l'autre électrode ('anode').

Ce champ électrique E est continu ou variable dans le temps.

De nombreuses configurations sont envisageables pour l'alimentation électrique 31 : celle-ci peut être une pile, une source de tension ou courant continue, une alimentation basse ou haute fréquence, ou encore une alimentation bipolaire, multipolaire ou impulsionnelle.

De cette façon, les optiques et composants (lentilles, caméras, lasers, etc.) placés en regard de l'ouverture extérieure 27 (au niveau de la fenêtre 24) sont protégés et préservés de dépôts importants.

La carcasse 25 peut être montée directement sur l'écran thermique T. Elle peut être montée amovible sur celui-ci ou en être solidarisée de façon non amovible.

La carcasse 25 peut servir de référence de potentiel pour la source 31. Elle peut être reliée à la masse ou gardée flottante. Ces parois sont électriquement isolées des électrodes 28 et 29 par des diélectriques 30. Elles jouent également un rôle d'écran thermique par rapport à la chaleur supplémentaire qui peut etre degagee dans la chambre d'ionisation elle-même. L'écran thermique ainsi constitué par l'acier ou autre matériau desdites parois permet d'éviter de perturber la fabrication additive, laquelle peut être particulièrement sensible à des dérives en température.

La carcasse 25 joue le rôle de cage de Faraday, permettant l'écrantage électrique à l'extérieur de cette chambre d'ionisation, et le fonctionnement sans perturbations du faisceau d'électrons 20 du canon 11.

Ionisation par source d'électrons

Comme l'illustre la figure 3, l'ionisation peut être obtenue grâce à une source d'électrons 32 accélérée par une tension fournie par l'alimentation électrique 31.

Cette source d'électrons 32 est par exemple un filament. D'autres types de sources d'électrons peuvent être envisagés (émission froide ou émission de champ, émission Schottky, etc.).

Les électrons ainsi émis sont accélérés par le champ électrique qui s'établi par la polarisation d'au moins une paroi isolée électriquement par rapport aux autres surfaces de la chambre d'ionisation 23.

Les électrons énergétiques ainsi obtenus par cette accélération ionisent par impact électronique la vapeur chargée (atomique ou sous forme d'agrégats) libérée de la surface en fusion et qui traverse la chambre d'ionisation 23 en remontant à travers l'ouverture 26. Une fois ionisée, la vapeur est déviée par le champ électrique E et captée sous forme de dépôt sur les électrodes 28, 29.

Dans le cas d'agrégats de taille nanométrique ou supérieure, certains de ces électrons peuvent en outre être captés par ces agrégats sans forcément les ioniser, ce qui conduit à la création d'ions négatifs.

La tension d'accélération est choisie pour qu'une seule ionisation soit possible, au maximum deux, lors de l'interaction avec la vapeur, avant de toucher une des parois de la chambre d'ionisation.

Par ailleurs, plus la pression est réduite, plus le nombre d'interactions le sera aussi. En revanche, en augmentant la pression il sera necessaire d'augmenter egalement la polarisation, de façon a ce que l'énergie transmise aux électrons par le champ électrique sur un parcours moyen de vol libre entre deux interactions successives reste sensiblement la même.

Les nouveaux électrons créés par ionisation de la vapeur doivent être en nombre limité de façon à éviter la création d'un plasma à l'intérieur de la chambre d'ionisation. Un tel plasma pourrait en effet perturber le faisceau EBM, par exemple, et plus généralement le fonctionnement de l'appareil.

Typiquement, la tension d'accélération est de 10 à 100V.

Ionisation par photo-ionisation

En variante, l'ionisation peut être obtenue par photo-ionisation (figure 4) au moyen d'une source photonique 33.

La source de photo-ionisation 33 peut être une lampe émettant à des longueurs d'onde correspondant à la gamme Ultra-Violet.

La puissance d'émission de la source 33 est par exemple de 50 à 100 W. La longueur d'onde peut être plus spécifiquement de l'ordre de 250 nm, ce qui correspond à des photons d'environ 5 eV d'énergie.

La source de photons est une lampe dont l'émission est très intense dans la gamme Ultra-Violet (UV) du spectre.

Les photons d'une source de ce type excitent efficacement les atomes qui constituent la vapeur chargée, ainsi que les éventuels agrégats. Si pendant le temps de vie d'un niveau excité un second photon est absorbé, alors les particules absorbantes sont ionisées. En outre, certains métaux et certains agrégats ont des énergies d'ionisation de 5 eV et inférieures et peuvent être ionisés par absorption d'un seul photon.

Afin de favoriser l'absorption de photons, on prévoit que la source 33 soit placée entre au moins deux miroirs courbes 34, 35 en regard qui définissent ensemble une cavité optique. Les rayons de courbure de ces miroirs et leurs positionnements sont choisis pour que les photons de la source 33 subissent des réflexions multiples et qu'ils soient concentrés dans la zone d'intérêt de la chambre 23. D'autres paires de miroirs 36 sont en outre disposes en regard deux à deux, le long des parois de la carcasse 25, dans la longueur de la cavité optique définie entre les deux miroirs courbes 34, 35. De cette façon, les photons sont conservés le plus longtemps possible dans la cavité optique ; les chances de photo-ionisation s'en trouvent augmentées. Les électrodes 28, 29 de la chambre 23 peuvent elles-mêmes jouer également le rôle de miroirs.

Un écran thermique 37 en matériau céramique ou réfractaire peut également être interposé entre les différents miroirs et les parois de la carcasse 25.

Les électrons émis lors de la photo-ionisation sont accélérés vers l'électrode positive (en l'occurrence l'électrode 28 sur la figure). Dans leur chemin, ces électrons libres gagnent de l'énergie et s'ils interagissent avec une vapeur, une ionisation supplémentaire peut également avoir lieu.

Les nouveaux électrons créés par photo-ionisation ou par ionisation de la vapeur doivent néanmoins être en nombre limité de façon à éviter la création d'un plasma à l'intérieur de la chambre 23.

Claims (9)

1. REVENDICATIONS

   1. Appareil pour fabriquer un objet tridimensionnel par fabrication additive comportant dans une enceinte : un support pour le dépôt des couches successives de poudre de fabrication additive, un arrangement de distribution adapté pour appliquer une couche de poudre sur ledit support ou sur une couche précédemment consolidée, - au moins une source d'énergie adaptée à la consolidation sélective d'une couche de poudre appliquée par l'arrangement de distribution, caractérisé en ce qu'il comporte une chambre d'ionisation située au voisinage d'au moins un module et/ou composant optique/électronique à protéger des dépôts, sur le trajet de la vapeur chargée remontant vers ledit module et/ou composant dans l'enceinte, et en ce qu'il comporte un écran thermique qui présente une ouverture permettant le passage du rayonnement et/ou du faisceau d'électrons et qui s'étend de ladite ouverture vers le plateau support, autour de la zone du lit de poudre et en ce que la chambre d'ionisation est disposée au niveau de ladite ouverture.
2. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que la chambre d'ionisation est intégrée dans une carcasse montée sur écran thermique.
3. 3. Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite carcasse est montée de façon amovible sur ledit écran.
4. 4. Appareil selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la chambre d'ionisation comporte deux électrodes et une alimentation électrique qui polarise celles-ci afin de collecter les ions créés dans la chambre d'ionisation ou initialement présents dans la vapeur chargée, lorsque celle-ci remonte jusqu'à ladite chambre.
5. 5. Appareil selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la source d'ionisation est une source d'électrons accélérés.
6. 6. Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que les électrons de la source d'ionisation sont accélérés par une tension comprise entre 10 et 100 V.
7. 7. Appareil selon Tune des revendications l à 4, caractérisé en ce que la source d'ionisation est une source photonique.
8. 8. Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladite source est une lampe UV.
9. 9. Appareil selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un composant ou module optique/électronique est une lentille, une caméra, un capteur ou une source de rayonnement de type laser.