FR3073761A1 - Outillage ameliore pour la fabrication additive - Google Patents

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Abstract

L'invention se rapporte à un outillage (100) pour la fabrication additive d'une pièce par dépôt de poudre, l'outillage comprenant une buse (10) d'éjection de poudre présentant un premier passage (26) destiné à être traversé par la poudre (2) à déposer, ainsi qu'un dispositif émetteur d'ultrasons (40) associé à la buse (10) pour la faire vibrer et éviter le colmatage du premier passage (26).

Description

OUTILLAGE AMELIORE POUR LA FABRICATION ADDITIVE DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention se rapporte au domaine de la fabrication additive, et plus particulièrement aux outillages permettant la mise en œuvre de cette technique de fabrication, également dénommée fabrication 3D.
Elle concerne plus spécifiquement les outillages permettant un dépôt de poudre couche par couche, destiné à être en partie solidifié à l'aide d'un faisceau laser.
ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE
Les outillages conventionnels prévus pour mettre en œuvre une telle technique de fabrication additive présentent habituellement une buse d'éjection, par exemple équipée d'un passage de forme conique pour éjecter la poudre sur les couches de poudres préalablement déposées. Plus précisément, la buse permet l'ajout de poudre directement dans un bain liquide formé par un faisceau laser, qui traverse un ensemble d'éléments optiques situés généralement au sein de la buse.
En fonction de la morphologie et de la granulométrie de la poudre qui traverse la buse, le passage dédié au sein de celle-ci est sujet à un risque de colmatage total ou partiel, en particulier en raison de la formation d'agglomérats de particules. Dans une telle situation, la poudre ne s'écoule plus de la buse, ou bien seulement avec un débit réduit par rapport à celui escompté, ou encore avec une distribution hétérogène de densités de particules au sein du faisceau de poudre. Par conséquent, le faisceau laser n'interagit plus correctement avec la poudre, et il se réfléchit dans le bain liquide jusqu'à éventuellement fragiliser la source laser, ce qui induit un risque pour l'utilisateur ainsi que pour l'outillage. Le procédé de fabrication doit alors être stoppé, et la pièce mise au rebut.
Par ailleurs, il existe également des cas dans lesquels des particules se déposent dans le passage de la buse, ce qui peut perturber l'écoulement du gaz porteur traversant habituellement ce passage. Le manque ponctuel de particules peut être source de porosités au sein de la pièce. De plus, ces particules piégées au sein de la buse peuvent se détacher ultérieurement sous l'effet du gaz porteur et/ou du flux de poudre, et venir alors contaminer une pièce réalisée dans un matériau différent.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
Pour répondre au moins partiellement aux inconvénients identifiés cidessus, l'invention a tout d'abord pour objet un outillage pour la fabrication additive d'une pièce par dépôt de poudre, l'outillage comprenant une buse d'éjection de poudre présentant un premier passage destiné à être traversé par la poudre à déposer, un second passage destiné à être traversé par un faisceau laser, ainsi qu'un dispositif émetteur d'ultrasons associé à la buse pour la faire vibrer.
L'invention prévoit ainsi astucieusement de coupler la buse d'éjection avec un dispositif émetteur d'ultrasons afin de faire vibrer cette buse, et limiter ainsi les risques de formation d'agglomérats de particules au sein du premier passage. Les risques de colmatage sont ainsi réduits, sans pour autant complexifier drastiquement la conception de l'outillage. En effet, le dispositif émetteur d'ultrasons peut parfaitement s'intégrer dans la conception de l'outillage, et s'adapte facilement aux outillages existants.
L'invention permet ainsi d'étendre la gamme de matériaux projetables, notamment en termes de granulométrie et de morphologie de poudre. Elle garantit aussi une meilleure stabilité du débit massique de poudre pour les temps de projection longs, grâce à la réduction d'agglomérats de poudre dans la buse.
Enfin, puisque les vibrations générées par le dispositif émetteur d'ultrasons réduit également les risques de dépôt de particules sur les parois du premier passage de la buse, les risques de contamination croisée sont avantageusement limités lors de l'utilisation successive de différents matériaux.
L'invention prévoit de préférence au moins l'une quelconque des caractéristiques optionnelles suivantes, prises isolément ou en combinaison.
Le dispositif émetteur d'ultrasons comporte un générateur et un transducteur alimenté par le générateur. Ainsi, de manière conventionnelle, le transducteur forme un organe d'excitation qui reçoit un signal électrique produit par le générateur. Le transducteur constitue alors préférentiellement l'organe du dispositif qui est couplé à la buse d'éjection de poudre, pour la faire vibrer.
Selon un premier mode de réalisation préféré, le transducteur est fixé autour de la buse ou intégrée à celle-ci.
Selon un seconde mode de réalisation préféré, l'outillage comprend un système de refroidissement de la buse, le système comportant au moins un canal de refroidissement cheminant dans la buse ainsi qu'un réservoir de fluide de refroidissement alimentant ledit canal. De plus, le transducteur est associé audit réservoir pour activer en ultrasons le fluide de refroidissement qui se trouve dans le réservoir, ledit transducteur étant préférentiellement un barreau émetteur d'ultrasons.
Cette solution présente l'avantage de diminuer l'encombrement de la buse, en lui transmettant les vibrations par le biais du fluide de refroidissement qui la traverse.
Ledit dispositif émetteur d'ultrasons est conçu pour délivrer un signal ultrason à une fréquence comprise entre 25 et 40kHz, à une puissance de 750W.
La buse d'éjection de poudre présente également un troisième passage destiné à être traversé par un flux de gaz protecteur de la poudre.
La buse d'éjection de poudre est réalisée à l'aide de plusieurs cônes coaxiaux définissant entre eux lesdits premier et second passages, et de préférence également le troisième passage décrit ci-dessus.
Enfin, il est prévu que le canal de refroidissement chemine dans l'épaisseur d'au moins l'un des cônes formant la buse d'éjection.
L'invention a également pour objet un procédé de réalisation d'une pièce de turbomachine d'aéronef par fabrication additivé, ledit procédé comprenant une étape de dépôt de poudre réalisée à l'aide d'un outillage tel que décrit précédemment.
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront dans la description détaillée non limitative ci-dessous.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
Cette description sera faite au regard des dessins annexés parmi lesquels ;
- la figure 1 représente une vue de face schématisant la mise en œuvre d'un procédé de réalisation d'une pièce de turbomachine d'aéronef par fabrication additive ;
- la figure 2 représente une vue schématique d'un outillage selon un premier mode de réalisation préféré, pour la mise en œuvre du procédé schématisé sur la figure précédente ;
- la figure 2a représente une vue similaire à la précédente, montrant une alternative de réalisation ;
- la figure 3 représente une vue similaire à celle de la figure 2, selon un second mode de réalisation préféré de l'invention.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PRÉFÉRÉS
En référence tout d'abord à la figure 1, il est représenté schématiquement la mise en œuvre d'un procédé de réalisation d'une pièce 1 de turbomachine d'aéronef, par fabrication additive.
II peut s'agir de toute pièce de turbomachine réalisée par exemple à partir de poudre métallique et/ou céramique, comme un crochet de rétention pour carter de turbine.
La technique employée est conventionnelle, le procédé selon l'invention se distinguant essentiellement des techniques antérieures par l'utilisation d'un outillage spécifique à l'invention, qui sera décrit ci-après.
La fabrication additive visée par la présente invention met en œuvre un dépôt de poudre. Elle est également dénommée fabrication 3D, et se décline sous différentes formes, dénommées par exemple LMD (de l'anglais « Laser Métal
Déposition »), LENS (de l'anglais « Laser Engineered Net Shaping », DMD (de l'anglais « Direct Métal Déposition), ou encore CLAD (« Construction Laser Additive Directe »).
Cette technologie permet la construction d'une pièce 1 par ajout direct de poudre 2 dans un bain liquide 4, formé par un faisceau laser 6 à la surface d'un substrat 8. Le substrat 8 et la poudre 2 peuvent être deux matériaux différents ou identiques. Le substrat peut être un support qui est ensuite retiré par usinage, ou une pièce à réparer, ou encore une pièce sur laquelle un ajout de fonction est réalisé.
Pour fabriquer la pièce 1 progressivement couche par couche, l'outillage 100 employé comprend une buse d'éjection de poudre 10 commandé par un dispositif 12 de contrôle et de mise en mouvement de la buse 10. La buse est représentée uniquement schématiquement sur la figure 1. Elle permet l'éjection de la poudre, ainsi que le passage du faisceau laser 6 en direction du bain liquide 4. Le faisceau est issu d'une source laser 14 faisant également partie de l'outillage.
En pratique, le procédé de fabrication comporte une étape de dépôt de poudre à l'aide de la buse 10, la poudre déposée étant fusionnée sous l'action du faisceau laser 6, au niveau des zones de la couche de poudre qui doivent être solidifiées pour former ultérieurement la pièce 1.
La figure 2 représente un premier mode de réalisation préféré de la buse d'éjection 10. Sa conception est basée sur la combinaison des plusieurs cônes coaxiaux, ici trois cônes emboîtés les uns dans les autres de façon à définir entre eux des passages coniques fonctionnels.
Plus précisément, il s'agit d'un cône extérieur 20, d'un cône central 22, et d'un cône intérieur 24. Entre le cône extérieur 20 et le cône central 22, il est défini un premier passage conique 26 destiné à être traversé par la poudre à déposer, dont le débit est régulé par le dispositif de contrôle de l'outillage.
Par ailleurs, le cône central 22 définit intérieurement un second passage 31 centré sur l'axe 30 de la buse, cet axe correspondant également à la direction du faisceau laser 6.
En outre, entre le cône intérieur 24 et le cône central 22, il est défini un troisième passage conique 32 destiné à être traversé par un flux de gaz 34 protecteur de la poudre. En effet, ce flux de gaz 34 est interposé radialement entre la poudre 2 et le faisceau laser 6, et permet ainsi aux particules de poudre de ne pas être fondues avant d'atteindre le bain liquide au niveau des couches déjà déposées.
L'une des particularités de l'invention réside dans la mise en œuvre d'un dispositif émetteur d'ultrasons 40 couplé à la buse, de manière à la faire vibrer et éviter ainsi le colmatage du premier passage 26 par des agglomérats de poudre, ou encore éviter que des particules ne se déposent sur les parois de ce premier passage 26.
Le dispositif émetteur d'ultrasons 40 comporte un générateur 42 ainsi qu'un transducteur 44. Le générateur 42 transmet un signal électrique au transducteur 44, via un câblage approprié 48. Le transducteur est alors placé au contact du cône extérieur 20 de la buse, par exemple au niveau d'un épaulement supérieur 50. Le maintien mécanique du transducteur s'effectue à l'aide d'un collier de serrage 46 disposé autour de l'épaulement 50, et préférentiellement centré sur l'axe 30. Selon une alternative, le transducteur 44 est intégré à la buse, de préférence dans un logement 52 de l'épaulement 50, comme cela a été schématisé sur la figure 2a.
II est noté que dans ce premier mode de réalisation préféré, le transducteur 44 pourrait être au contact d'une autre partie du cône extérieur 20, voire au contact d'un des deux autres cônes 22, 24, sans sortir du cadre de l'invention.
Un second mode de réalisation est représenté sur la figure 3. Dans ce mode, les ultrasons ne sont pas directement transmis par le transducteur 44 au cône extérieur 20, mais transmis à un liquide de refroidissement 56.
L'outillage 100 comporte en effet un système 55 de refroidissement de la buse, qui comprend un canal de refroidissement 58 cheminant dans le cône extérieur 20 de la buse, dans l'épaisseur de celle-ci. Le canal 58 s'étend par exemple sous forme hélicoïdale tout le long de ce cône, en étant alimenté par un réservoir de liquide 60 avec lequel il communique. Une pompe permet d'effectuer cette alimentation, tandis qu'un échangeur de chaleur est également prévu pour refroidir le fluide chauffé sortant du cône 20 et rejoignant le réservoir 60. L'échangeur (non représenté) pourrait d'ailleurs être agencé au niveau de ce réservoir.
Le transducteur 44 est couplé au réservoir 60 pour activer en ultrasons le fluide de refroidissement 56 qui se trouve dans ce réservoir. Ce transducteur peut être fixé sur la paroi du réservoir 60, ou bien immergé de manière étanche dans le liquide se trouvant au sein de ce réservoir. II prend de préférence la forme d'un barreau émetteur d'ultrasons.
Dans ce second mode de réalisation, la buse présente un encombrement réduit, tout en étant soumise à des vibrations transportées par le liquide de refroidissement 56 qui circule dans le canal 58.
Ici encore, il est indiqué que le canal de refroidissement 58 pourrait être prévu alternativement ou simultanément sur les deux autres cônes 22, 24, sans sortir du cadre de l'invention.
Enfin, pour une génération de vibrations optimales, le dispositif émetteur 40 est préférentiellement conçu pour délivrer un signal ultrason à une fréquence comprise entre 25 et 40kHz, à une puissance de 750W.
Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme du métier à l'invention qui vient d'être décrite, uniquement à titre d'exemples non limitatifs.

Claims (9)

  1. REVENDICATIONS
    1. Outillage (100) pour la fabrication additive d'une pièce (1) par dépôt de poudre, l'outillage comprenant une buse (10) d'éjection de poudre présentant un premier passage (26) destiné à être traversé par la poudre (2) à déposer, ainsi qu'un second passage (31) destiné à être traversé par un faisceau laser (6), caractérisé en ce que l'outillage comporte également un dispositif émetteur d'ultrasons (40) associé à la buse (10) pour la faire vibrer.
  2. 2. Outillage selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif émetteur d'ultrasons (40) comporte un générateur (42) et un transducteur (44) alimenté par le générateur.
  3. 3. Outillage selon la revendication 2, caractérisé en ce que le transducteur (44) est fixé autour de la buse (10) ou intégrée à celle-ci.
  4. 4. Outillage selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend un système (55) de refroidissement de la buse, le système comportant au moins un canal de refroidissement (58) cheminant dans la buse ainsi qu'un réservoir de fluide de refroidissement (60) alimentant ledit canal, et en ce que le transducteur (44) est associé audit réservoir (60) pour activer en ultrasons le fluide de refroidissement (58) qui se trouve dans le réservoir, ledit transducteur (44) étant préférentiellement un barreau émetteur d'ultrasons.
  5. 5. Outillage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit dispositif émetteur d'ultrasons (40) est conçu pour délivrer un signal ultrason à une fréquence comprise entre 25 et 40kHz, à une puissance de 750W.
  6. 6. Outillage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la buse d'éjection de poudre (10) présente également un troisième passage (32) destiné à être traversé par un flux (34) de gaz protecteur de la poudre.
  7. 7. Outillage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la buse d'éjection de poudre (10) est réalisée à l'aide de plusieurs cônes coaxiaux (20, 22, 24) définissant entre eux au moins lesdits premier et second passages (26, 31).
  8. 8. Outillage selon la revendication précédente combinée à la revendication 4, caractérisé en ce que le canal de refroidissement (58) chemine dans l'épaisseur d'au moins l'un des cônes (20, 22, 24) formant la buse d'éjection (10).
  9. 9. Procédé de réalisation d'une pièce (1) de turbomachine d'aéronef par fabrication additive, ledit procédé comprenant une étape de dépôt de poudre (2) réalisée à l'aide d'un outillage (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes.
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