FR3132449A1 - Ensemble intermédiaire pour fabrication additive - Google Patents
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Abstract
Ensemble intermédiaire pour fabrication additive
Ensemble intermédiaire (34) de fabrication comprenant une pièce (21), la pièce (21) comprenant une partie en surplomb (30), l’ensemble intermédiaire (34) comprenant de plus une structure de support (36) de la partie en surplomb (30),
la structure de support (36) comprenant :
- une partie de liaison (38) poreuse fusible, s’étendant depuis la partie en surplomb (30),
- une semelle (40) s’étendant depuis la partie de liaison (38) et définissant une pluralité de canaux (48), et
- au moins une colonne (42) portant la semelle (40).
Figure à publier avec l’abrégé : 3
Description
L’invention concerne un ensemble intermédiaire de fabrication d’une pièce mécanique selon un procédé par fabrication additive. L’invention concerne aussi un procédé de fabrication d’une pièce mettant en œuvre un tel ensemble intermédiaire.
On connaît dans la technique une méthode qui consiste à fabriquer au moins une pièce, notamment une ou plusieurs pièce(s) métallique(s), par fusion de couches successives de poudre au moyen d'un faisceau laser commandé par un système de traitement de l'information dans lequel on a enregistré les coordonnées tridimensionnelles des points des couches successives à réaliser pour former lesdites pièces.
La illustre un dispositif de fabrication 1 destiné à mettre en œuvre une telle méthode.
Le dispositif de fabrication 1 comprend un réservoir 3 contenant une poudre métallique 5 et dont le fond 7 est mobile, déplaçable en translation verticalement par une tige 9 d'un vérin, et une cuve 11 voisine, sensiblement parallélépipédique, dont le fond est constitué par un plateau 13 mobile, déplaçable en translation verticalement par une tige 15 d'un second vérin.
Le dispositif de fabrication 1 comporte en outre un racleur 17 permettant d'amener de la poudre du réservoir 3 vers la cuve 11, le racleur 17 étant mobile en translation le long d’un plan horizontal A sensiblement parallèle au plateau 13. Le dispositif de fabrication 1 comprend en outre des moyens de génération 18 d'un faisceau laser 19, couplés à un dispositif de déplacement 20 dudit faisceau laser 19 permettant de l'orienter et/ou de le déplacer pour atteindre n’importe quel point de la cuve 11.
Pour fabriquer une ou plusieurs pièces 21, une première couche de poudre est disposée dans la cuve 11, sensiblement dans le plan horizontal A, à l’aide du racleur 17.
La couche présente alors une surface inférieure correspondant à la surface du plateau 13 et une surface supérieure sur laquelle est dirigé et déplacé le faisceau laser 19. L'énergie apportée par ce faisceau provoque la fusion locale de la poudre qui, en se solidifiant, forme une première couche de la ou de chaque pièce 21.
Après formation de cette première couche, le plateau 13 est descendu d’une distance correspondant à l’épaisseur d’une couche de poudre, tandis que le fond 7 du réservoir 3 est remonté d'une hauteur correspondante, pour qu'une certaine quantité de poudre 22 soit située au-dessus du plan horizontal A.
Puis, cette quantité de poudre 22 est amenée par une lame 23 du racleur 17, depuis le réservoir 3 jusque dans la cuve 11, pour former une deuxième couche par-dessus la couche précédente. De la même manière que précédemment, une seconde couche de chaque pièce 21 est formée à l’aide du faisceau laser 19. La quantité de poudre et les positions du fond 7 et du plateau 13 sont déterminées de façon à former des couches de poudre d'une épaisseur choisie et constante.
Ces opérations sont répétées de manière à empiler les couches de poudre selon une direction verticale Z, perpendiculaire au plan horizontal A, et à fondre des parties ciblées de ces couches au moyen du faisceau laser 19, jusqu’à fabrication complète des pièces 21.
Cette méthode permet de fabriquer des pièces complexes rapidement et de manière entièrement automatisée, ce qui permet des économies importantes de temps et de ressources.
Cependant, elle présente des contraintes qui limitent les possibilités lors de la conception des pièces.
Notamment, les surfaces inférieures en surplomb des pièces 21 ne peuvent pas former des angles supérieurs à environ 45° avec la direction verticale Z pour être fabricables selon une telle méthode.
Des surfaces inférieures plus inclinées ne sont pas suffisamment soutenues au cours de l’empilement de couches de poudre, et leur fabrication nécessite l’ajout de parties de support au modèle de conception de la pièce 21. Ces parties de support doivent être retirées manuellement après l’étape de fabrication additive, ce qui nécessite un travail d’usinage long et spécifique.
L’invention vise à remédier à ces inconvénients, en fournissant une méthode de fabrication additive d’une pièce métallique comprenant des surfaces en surplomb, sans requérir d’étapes d’usinage postérieures à la fabrication additive.
A cet effet, l’invention a pour objet un ensemble intermédiaire de fabrication comprenant une pièce, la pièce comprenant une partie en surplomb, l’ensemble intermédiaire comprenant de plus une structure de support de la partie en surplomb,
la structure de support comprenant :
- une partie de liaison poreuse fusible, s’étendant depuis la partie en surplomb,
- une semelle s’étendant depuis la partie de liaison et définissant une pluralité de canaux, et
- au moins une colonne portant la semelle.
Un tel ensemble intermédiaire permet la fabrication d’une pièce comprenant des parties en surplomb grâce à la structure de support, cette partie de support étant aisément retirable a posteriori en profitant de l’étape de traitement de surface par dissolution chimique.
L’ensemble intermédiaire et la pièce sont constitués d’un matériau métallique.
La partie en surplomb comprend au moins une surface inférieure formant avec une direction verticale un angle strictement supérieur à 45°.
La partie de liaison peut présenter une porosité supérieure ou égale à 50%.
On rappelle que la porosité d’un milieu comprenant une partie solide et une partie interstitielle est définie comme le rapport du volume de la partie interstitielle sur le volume total.
La partie de liaison peut présenter une porosité supérieure ou égale à 70%.
La porosité de la partie de liaison peut par exemple être sensiblement égale à 75%.
De telles valeurs de porosité permettent une fragilisation importante de la partie de liaison au cours d’une étape de traitement de surface par dissolution chimique.
La semelle comprend une pluralité de piliers définissant entre eux les canaux, les canaux débouchant en regard de la partie de liaison.
Chaque pilier peut comprendre une surface supérieure portant la partie de liaison, un écart séparant les surfaces supérieures des piliers les unes des autres étant inférieur à 1 millimètre.
Les surfaces supérieures des piliers peuvent présenter par exemple une forme hexagonale, ou une forme carrée.
L’invention concerne également un procédé de fabrication d’une pièce métallique, le procédé comprenant les étapes suivantes :
- fabrication d’un ensemble intermédiaire comme plus haut selon une méthode par fabrication additive par fusion sélective ou frittage sélectif sur lit de poudre métallique,
- immersion de l’ensemble intermédiaire dans une solution de dissolution et dissolution d’une surface externe de l’ensemble intermédiaire, et
- retrait de la structure de support par rupture mécanique de la partie de liaison.
La rupture mécanique de la partie de liaison peut être mise en œuvre par application d’une force transversale sur une extrémité distale de la colonne.
La force transversale est orientée sensiblement perpendiculairement à la direction d’extension principale de la colonne.
Une telle méthode de retrait est rendue possible par la géométrie de la structure de support et permet un retrait facilité de la structure de support, notamment de manière manuelle.
La dissolution de la surface externe peut avoir lieu sur une épaisseur comprise entre 0,05 millimètre et 0,2 millimètre.
La dissolution de la surface externe peut réduire une résistance mécanique de la partie de liaison d’au moins 90%.
Une telle caractéristique permet un retrait facilité de la structure de support, notamment de manière manuelle.
La résistance mécanique est ici définie comme la valeur de contrainte mécanique devant être exercée sur la partie de liaison pour atteindre sa rupture complète.
La solution de dissolution chimique est notamment une solution acide, capable de « ronger » les matériaux métalliques.
Une telle solution permet une dissolution de surface sur une faible épaisseur, qui améliore l’état de surface de la pièce et fragilise la partie de liaison, sans retirer trop de matière sur la pièce.
La représente une pièce 21 que l’on désire fabriquer par un procédé de fabrication additive selon l’invention.
La pièce 21 comprend une partie en surplomb 30, qui comporte une surface inférieure 32 s’étendant dans un plan P formant un angle supérieur à 45° avec une direction verticale Z.
Dans l’exemple représenté la surface inférieure 32 de la partie en surplomb 30 s’étend dans un plan P sensiblement horizontal, c’est-à-dire formant un angle de 90° avec la direction verticale Z.
La direction verticale Z considérée ici est relative au dispositif de fabrication additive 1 précédent, pendant une étape de fabrication additive, et ne correspond pas forcément à la direction verticale dans l’environnement dans lequel la pièce 21 est destinée à être mise en œuvre.
Le procédé de fabrication de la pièce 21 comprend une étape de fabrication d’un ensemble intermédiaire 34, représenté sur la , selon une méthode par fabrication additive par fusion laser sélective ou frittage sélectif, comme décrit plus haut.
L’ensemble intermédiaire 34 est un intermédiaire de fabrication qui comprend la pièce 21 ainsi qu’une structure de support 36 conformée pour soutenir la partie en surplomb 30.
La structure de support 36 comprend une partie de liaison 38 s’étendant depuis la partie en surplomb 30, une semelle 40 portant la partie de liaison 38 et une colonne 42 portant la semelle 40 et s’étendant de manière à reposer sur le plateau 13 par son extrémité distale 44.
La partie de liaison 38 est fabriquée en même temps que le reste de l’ensemble intermédiaire 34 par fabrication additive.
La partie de liaison 38 est fusible, c’est-à-dire qu’elle est destinée à être détruite pour séparer la structure de support 36 de la pièce 21.
La partie de liaison 38 s’étend en dessous de l’intégralité de la surface inférieure 32, de manière à la supporter au cours de l’étape de fabrication additive.
Elle présente une porosité élevée, de préférence supérieure à 50%, notamment supérieure ou égale à 70%. La porosité de la partie de liaison 38 est par exemple sensiblement égale à 75%.
La semelle 40 s’étend entre la partie de liaison 38 et la colonne 42, relativement à la direction verticale Z, de manière à porter la partie de liaison 38.
La semelle 40 comprend une pluralité de piliers 46 présentant des formes évasées, définissant entre eux des canaux 48 de circulation de fluide.
La colonne 42 est dense et s’étend sensiblement selon la direction verticale Z, depuis la semelle 40 jusqu’à son extrémité distale 44 destinée à être en contact avec le plateau 13 lors de la fabrication.
La colonne 42 présente, dans l’exemple représenté, une forme qui s’affine progressivement depuis la semelle 40 jusqu’à l’extrémité distale 44, tout en conservant des flancs latéraux formant avec la direction verticale Z des angles inférieurs à 45°, et de préférence inférieurs à 30°. Cette forme permet de réduire la quantité de matériau nécessaire à la fabrication de la colonne 42 et facilite sa préhension, sans contraindre la fabricabilité de l’ensemble intermédiaire 32.
La est une vue de détail figurant la semelle 40 et la partie supérieure de la colonne 42.
Comme représenté, chaque pilier 46 comprend une extrémité supérieure 50, opposée à la colonne 42 par rapport à le direction verticale Z. Ladite extrémité supérieure 50 forme une surface plane portant la partie de liaison 38.
Chaque extrémité supérieure 50 présente une forme sensiblement carrée, dans un plan horizontal.
Alternativement, les extrémités supérieures peuvent présenter des formes rectangulaires ou hexagonales.
Un écartement E séparant les extrémités supérieures 50 de chaque pilier 46 est inférieur ou égal à 1 mm, afin de permettre la fabrication de la partie le liaison 38 par-dessus la semelle 40.
Les canaux 48 définis entre les piliers 46 débouchent entre les extrémités supérieures 50, sur toute une surface inférieure de la partie de liaison 38, ce qui permet de mettre en contact toute la partie de liaison avec le liquide circulant dans les canaux 48.
Le procédé de fabrication de la pièce 21 comprend, postérieurement à l’étape de fabrication additive, une étape d’immersion de l’ensemble intermédiaire 34 dans une solution de dissolution.
La solution de dissolution chimique est par exemple une solution acide, capable de « ronger » les matériaux métalliques.
L’ensemble intermédiaire 34 est immergé dans le bain de solution de dissolution pendant une durée d’immersion comprise entre 15 minutes et 1 heure, préférentiellement entre 15 et 45 minutes.
La solution de dissolution s’écoule dans les canaux 48 et imprègne la totalité de la partie de liaison 38.
Au cours de l’étape d’immersion, une surface externe de l’ensemble intermédiaire 32 est dissoute par la solution de dissolution, sur une faible épaisseur. L’épaisseur de dissolution est notamment comprise entre 0,05 millimètre et 0,2 millimètre.
Une telle étape d’immersion et de dissolution de surface est classique des procédés de fabrication additive par fusion sélective sur lit de poudre, et permet d’améliorer l’état de surface des pièces fabriquées.
Cette étape permet de plus, ici, de fragiliser notablement la partie de liaison 38, puisque sa forte porosité rend l’épaisseur de dissolution non-négligeable relativement à sa structure.
La partie de liaison 38 perd par exemple au moins 90% de sa résistance mécanique au cours de l’étape d’immersion et de dissolution de surface.
Le procédé comprend alors une étape de retrait de la structure de support 36, au cours de laquelle une force transversale, c’est-à-dire orientée selon une direction dans un plan horizontal, est appliquée sur l’extrémité distale 44 de la colonne 42.
Cette force transversale, appliquée manuellement ou au moyen d’un outil selon les dimensions mises en jeu, permet la rupture mécanique de la partie de liaison 38 et le retrait de la structure de support 36.
L’invention est généralisable à toute pièce présentant une partie en surplomb 30 dont la surface inférieure 32 forme un angle supérieur à 45° avec la direction verticale Z, en changeant la forme de la colonne 42 et/ou l’orientation de la semelle 40, pour avoir un soutien adapté au cours de l’étape de fabrication additive.
Claims (9)
- Ensemble intermédiaire (34) de fabrication comprenant une pièce (21), la pièce (21) comprenant une partie en surplomb (30), l’ensemble intermédiaire (34) comprenant de plus une structure de support (36) de la partie en surplomb (30),
la structure de support (36) comprenant :
- une partie de liaison (38) poreuse fusible, s’étendant depuis la partie en surplomb (30),
- une semelle (40) s’étendant depuis la partie de liaison (38) et définissant une pluralité de canaux (48), et
- au moins une colonne (42) portant la semelle (40). - Ensemble intermédiaire (34) selon la revendication précédente, dans lequel la partie de liaison (38) présente une porosité supérieure ou égale à 50%.
- Ensemble intermédiaire (34) selon la revendication précédente, dans lequel la partie de liaison (38) présente une porosité supérieure ou égale à 70%.
- Ensemble intermédiaire (34) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la semelle (40) comprend une pluralité de piliers (46) définissant entre eux les canaux (48), les canaux (48) débouchant en regard de la partie de liaison (38).
- Ensemble intermédiaire (34) selon la revendication précédente, dans lequel chaque pilier (46) comprend une extrémité supérieure (50) portant la partie de liaison (38), un écart (E) séparant les extrémités supérieures (50) des piliers (46) les unes des autres étant inférieur à 1 millimètre.
- Procédé de fabrication d’une pièce (21) métallique, le procédé comprenant les étapes suivantes :
- fabrication d’un ensemble intermédiaire (34) selon l’une des revendications précédentes, selon une méthode par fabrication additive par fusion sélective ou frittage sélectif sur lit de poudre métallique,
- immersion de l’ensemble intermédiaire (34) dans une solution de dissolution et dissolution d’une surface externe de l’ensemble intermédiaire (34), et
- retrait de la structure de support (36) par rupture mécanique de la partie de liaison (38). - Procédé selon la revendication précédente, dans lequel la rupture mécanique de la partie de liaison (38) est mise en œuvre par application d’une force transversale sur une extrémité distale (44) de la colonne (42).
- Procédé selon la revendication 6 ou 7, dans lequel la dissolution de la surface externe a lieu sur une épaisseur comprise entre 0,05 millimètre et 0,2 millimètre.
- Procédé selon l’une des revendications 6 à 8, dans lequel la dissolution de la surface externe réduit une résistance mécanique de la partie de liaison (38) d’au moins 90%.
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| CHRISTOPHER S. LEFKY ET AL: "Dissolvable Supports in Powder Bed Fusion-Printed Stainless Steel", 3D PRINTING AND ADDITIVE MANUFACTURING, vol. 4, no. 1, 31 December 2017 (2017-12-31), DE, pages 3 - 11, XP055529056, ISSN: 2329-7662, DOI: 10.1089/3dp.2016.0043 * |
| OWEN J. HILDRETH ET AL: "Dissolvable Metal Supports for 3D Direct Metal Printing", 3D PRINTING AND ADDITIVE MANUFACTURING, vol. 3, no. 2, 20 June 2016 (2016-06-20), DE, pages 90 - 97, XP055438582, ISSN: 2329-7662, DOI: 10.1089/3dp.2016.0013 * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR3165195A1 (fr) * | 2024-07-30 | 2026-02-06 | Safran Additive Manufacturing Campus | Procédé de fabrication additive |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP4476014A1 (fr) | 2024-12-18 |
| CN118647476A (zh) | 2024-09-13 |
| FR3132449B1 (fr) | 2024-04-19 |
| WO2023152449A1 (fr) | 2023-08-17 |
| US20250144711A1 (en) | 2025-05-08 |
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