FR3135219A1 - Procédé de fabrication d'une pièce par fabrication additive par dépôt de fil - Google Patents
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Abstract
Procédé de fabrication d’une pièce par fabrication additive par dépôt de fil Le Procédé de fabrication comporte une étape de fourniture d’un modèle (20) sur un logiciel, une étape d’ajout de lignes directrices (22) sur le modèle (20) en suivant sa forme, une étape de marquage, de points (a...o) sur les lignes directrices (22), les points de rangs consécutifs étant espacés d’une même distance (D), une étape de traçage de lignes de jonction (24) joignant les points de même rang de toutes les lignes directrices (22), et une étape de réalisation de la pièce par fabrication additive, par dépôt de couches de matière telles que définies par les lignes de jonction (24). Figure pour l'abrégé : Figure 5
Description
La présente invention concerne un procédé de fabrication d’une pièce par fabrication additive. Plus particulièrement, l’invention concerne un procédé de fabrication additive Arc-fil WAAM (acronyme anglais pour « Wire Arc Additive Manufacturing »).
Un procédé de fabrication additive (ou impression 3D) de l’état de la technique comporte habituellement la réalisation, ou la fourniture, d’un modèle de la pièce à réaliser, au moyen d’un logiciel informatique de Conception et Fabrication Assistée par Ordinateur (CFAO). La fabrication additive est alors réalisée en déposant des couches de matière les unes sur les autres de manière à obtenir une pièce finale conforme au modèle.
Dans certains cas de pièces de géométrie particulière, il peut être difficile de réaliser une telle pièce par fabrication additive. Cela est notamment le cas pour des dévers importants et/ou de fortes variations de géométrie, comme par exemple dans le cas de pièces coudées.
L’invention a notamment pour but de proposer un procédé de fabrication permettant la fabrication de pièces coudées, de manière rapide et efficace.
A cet effet, la présente invention concerne un procédé de fabrication d’une pièce par fabrication additive arc-fil, caractérisé en ce qu’il comporte les étapes suivantes :
- une étape préparation d’une stratégie de dépôt pour au moins une partie de la pièce à fabriquer, au moyen d’un logiciel informatique de Conception et Fabrication Assistée par Ordinateur, utilisant un modèle de ladite partie,
- une étape d’ajout, dans le logiciel informatique, de lignes directrices sur le modèle en suivant la forme du modèle dans une direction verticale,
- une étape de marquage, dans le logiciel informatique, de points sur les lignes directrices, les points étant rangés selon un rang allant d’un premier point inférieur à un dernier point supérieur, de sorte que les points de rangs consécutifs de chaque ligne directrice sont espacés d’une même distance le long de cette ligne directrice,
- une étape de traçage, dans le logiciel informatique, de lignes de jonction, chaque ligne de jonction joignant les points de même rang de toutes les lignes directrices, deux lignes de jonctions successives dans la direction verticale définissant une couche de matière,
- une étape de réalisation de la partie de la pièce par fabrication additive, par dépôt de couches de matière telles que définies par les lignes de jonction.
Le procédé selon l’invention permet de réaliser des formes de géométries complexes, notamment des formes coudées présentant des dévers importants, par exemple supérieurs à 20°. En effet, le procédé selon l’invention permet de réaliser des trajectoires de longueur et de formes particulières, notamment des trajectoires de longueurs non régulières et de formes suivant la géométrie de la pièce, donc s’adaptant aux complexités de celle-ci.
Le procédé selon l’invention peut comporter en outre l’une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises seules ou selon toutes combinaisons techniquement envisageables.
- Lors de l’étape d’ajout de lignes directrices, toutes les lignes directrices présentent la même longueur totale, si bien qu’au moins l’une des lignes directrices est prolongée verticalement au-delà du modèle.
- Au moins l’une des lignes de jonction s’étend en partie en dehors du modèle, les prolongations de lignes directrices et de lignes de jonction s’étendant en dehors du modèle étant supprimées du logiciel avant l’étape de réalisation de la partie.
- L’étape de réalisation est mise en œuvre à l’aide d’un dispositif de fabrication additive, comprenant un plateau sur lequel sera fabriquée la pièce, et un outil de dépôt de matière, le plateau s’étendant dans un plan, et étant mobile en rotation autour d’un axe central perpendiculaire à ce plan, et mobile en basculement autour d’un axe parallèle au plan, par exemple à une hauteur de 1041mm dudit plan.
- Lors de l’étape de réalisation, les couches sont déposées en faisant suivre à un outil de dépôt des trajectoires définies autour de lignes circulaires ou elliptiques.
- L’outil dépose un cordon de matière en effectuant un balayage oscillant autour de la ligne circulaire ou elliptique.
- Les cordons d’une même couche débutent à des points de démarrage, par exemple alignés, les points de démarrage de deux couches successives étant de préférence décalés angulairement d’une couche à l’autre, par exemple de 90°.
- Chaque couche est déposée dans un sens de rotation opposé de celui de la couche précédente.
Différents aspects et avantages de l’invention seront mis en lumière dans la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif et faite en se référant aux figures annexées, parmi lesquelles :
Dans l’exemple qui va suivre, la pièce à fabriquer est une enveloppe externe 10 de bol inverseur, représentée sur la . On notera toutefois que l’invention peut être appliquée à plusieurs types de pièce de forme complexe.
Afin de réaliser une telle pièce présentant des formes complexes et variées, l’enveloppe 10 est divisée en plusieurs parties, à savoir une première partie 10A, une seconde partie 10B, une troisième partie 10C et une quatrième partie 10D nécessitant généralement des stratégies de dépôt de matière différentes.
La première partie 10A présente une forme générale cylindrique creuse, comprenant paroi de forte épaisseur, par exemple d’environ 46 mm. Une telle forme cylindrique ne présente pas de difficulté particulière, et peut être réalisée par une méthode de fabrication additive classique ne nécessitant pas d’adaptation particulière.
La seconde partie 10B présente une forme de géométrie complexe et non symétrique. La réalisation d’une pièce de telle forme nécessite une méthode particulière selon l’invention, qui sera décrite ultérieurement.
La troisième partie 10C présente une forme coudée, avec un rayon interne très inférieur au rayon externe. La réalisation d’une pièce de telle forme nécessite une méthode particulière, qui sera décrite ultérieurement.
La quatrième partie 10D présente, comme la première partie 10A, une forme cylindrique simple ou peu complexe.
La fabrication additive est réalisée au moyen d’un dispositif de fabrication additive 12, représenté schématiquement sur la . Dans l’exemple décrit, la pièce est réalisée en acier inoxydable 316L, le dispositif de fabrication additive 12 est donc adapté pour réaliser une pièce en acier inoxydable 316L. Toute autre matière est toutefois envisageable.
Le dispositif de fabrication additive 12 comprend un plateau 14 sur lequel sera fabriquée la pièce 10, et comprend un outil 16 de dépôt de matière.
Dans le contexte de la présente invention, le plateau 14 est mobile afin de modifier l’orientation de la pièce 10 par rapport à l’outil 16 de dépôt de matière. La mobilité du plateau 14 est configurée pour assurer une vitesse relative entre l’outil 16 et le plateau 14 qui soit sensiblement égale à la vitesse de dépôt de matière, c’est-à-dire une vitesse de déplacement de l’outil relative généralement comprise entre 300 mm/mn et 2000 mm/mn.
De préférence, le plateau 14 s’étend dans un plan, et le plateau est mobile en rotation autour d’un axe central A perpendiculaire à ce plan. Le plateau 14 est également mobile en basculement autour d’un axe B parallèle audit plan, par exemple à une hauteur de 1041mm dudit plan.
L’outil de dépôt 16 est orienté pour déposer la matière dans une direction verticale 16. Cet outil de dépôt 16 est mobile selon trois direction d’un repère cartésien, longitudinale X, transversale Y et verticale Z.
Ainsi, le dépôt de matière est effectué en jouant sur cinq paramètres, que sont la position angulaire du plateau autour de l’axe A, le basculement du plateau autour de l’axe B, la position de l’outil dans la direction longitudinale X, la position de l’outil dans la direction transversale Y, et la position de l’outil dans la direction verticale Z. C’est en jouant sur ces cinq paramètres que des couches de matière telles que définies ultérieurement sont appliquées les unes sur les autres.
En variante, l’outil de dépôt 16 peut également être mobile en rotation autour d’axes longitudinal et transversal. Dans ce cas, ces deux paramètres sont ajoutés aux autres. Cela peut être notamment le cas lorsque la pièce à fabriquer présente une forme particulièrement complexe.
La fabrication additive de chaque partie 10A, 10B, 10C, 10D consiste à déposer de la matière sous forme de couches superposées. La définition de ces couches de matière varie toutefois d’une partie à l’autre.
Dans le cas des première 10A et quatrième 10D parties, qui présentent des formes cylindriques simples, les couches, planes, peuvent être définies parallèles entre elles et perpendiculaires à un axe du cylindre.
Ainsi, la réalisation de la première partie 10A comporte une étape de préparation d’une première stratégie de dépôt, au moyen d’un logiciel informatique 18 de Conception et Fabrication Assistée par Ordinateur, représenté symboliquement sur la .
La première partie 10A est ensuite réalisée par fabrication additive en suivant la première stratégie de dépôt. Cette étape est réalisée de manière classique, par dépôt de matière sous forme de couches planes, la forme cylindrique étant simple à réaliser. Le plateau 14 est dans ce cas perpendiculaire à la direction verticale Z.
Il est en revanche à noter que des couches planes ne sont pas adaptées à des formes complexes telles que celles de la deuxième 10B ou la troisième 10C parties.
Ainsi, la deuxième partie 10B est réalisée au moyen des étapes décrites ci-dessous.
La réalisation de la seconde partie 10B comporte une seconde étape de préparation d’une seconde stratégie de dépôt 20 appliquée sur la seconde partie de la pièce finale à fabriquer, au moyen du logiciel informatique 18 de Conception et Fabrication Assistée par Ordinateur.
Les étapes suivantes visent à élaborer des couches de matière non planes, pour s’adapter à la forme de la pièce souhaitée.
A cet effet, le procédé comporte une étape d’ajout, dans le logiciel informatique, de lignes directrices 22 sur un modèle 20 de la seconde partie, en suivant la forme de ce modèle dans une direction verticale Z1, comme cela est représenté sur la . Plus particulièrement, les lignes directrices 22 sont basées sur le profil du modèle 20.
On a représenté sur la des exemples de lignes directrices 22. On notera que les lignes directrices 22 les plus proches d’un bord du modèle 20 dans une direction longitudinale X1 sont sensiblement parallèles à ce bord. Les autres lignes directrices 22 sont alignées dans la direction longitudinales X1, chaque ligne directrice 22 étant par exemple légèrement déformée par rapport aux lignes directrices 22 adjacentes qui l’entourent dans la direction longitudinale X1. Ainsi, les lignes directrices sont réalisées sur la base de la surface considérée, en suivant les courbures de celle-ci.
On notera que les lignes directrices 22 peuvent être générées automatiquement par le logiciel 18, ou en variante générés à la main dans le logiciel 18 par un opérateur.
Pour des raisons liées aux étapes ultérieures qui seront décrites ci-après, les lignes directrices 22 présentent toutes la même longueur totale. Ainsi, certaines lignes directrices 22 sont prolongées verticalement au-delà du second modèle 20, comme cela est visible sur la .
Le procédé comporte ensuite une étape de marquage, dans le logiciel informatique, de points sur les lignes directrices 22, les points étant rangés selon un rang (notés deaàosur la ) allant d’un premier point inférieuraà un dernier point supérieuro, de sorte que les points de rangs consécutifs de chaque ligne directrice 22 sont espacés d’une même distance D le long de cette ligne directrice 12. Par exemple, la distance D est de 3 mm.
Comme cela est montré sur la , certains points des lignes directrice 22 prolongées au-delà du second modèle sont définis en dehors du second modèle 20.
On notera que les points peuvent être générés automatiquement par le logiciel 18, ou en variante générés manuellement dans le logiciel 18 par un opérateur.
Le procédé comporte ensuite une étape de traçage, dans le logiciel informatique 18, de lignes de jonction 24, chaque ligne de jonction 24 joignant les points de même rang de toutes les lignes directrices 22, comme cela est représenté sur la .
Deux lignes de jonction 24 adjacentes dans la direction verticale Z1 délimitent une couche de matière à déposer. Ainsi, il apparait que, dans le procédé selon l’invention, les couches de matière à déposer ne sont pas planes et horizontales, mais présentent des formes variées adaptées aux variations de géométrie de la seconde partie 10B.
Il est à noter que les couches prolongées (qui donnent lieu à des couches partielles) sont localisées en partie haute de la pièce et sont d’autant plus nombreuses que les variations de géométrie de la pièce sont brutales.
Les prolongations des lignes directrices 22 sont à ce stade effacées dans le logiciel 18 au-dessus du modèle 20.
Le procédé comporte ensuite une étape de réalisation de la seconde partie 10B par fabrication additive, par dépôt de couches de matière telles que définies par les lignes de jonction.
Les couches sont déposées les unes sur les autres, avec l’outil 16 de dépôt de matière qui suit les lignes de jonction 24.
Ces dépôts de matière en suivant les lignes de jonction 24 sont effectués en jouant sur les cinq paramètres du dispositif de dépôt 12, tels que définis précédemment. En particulier, le plateau 14 est incliné lorsque cela est nécessaire pour suivre les lignes de jonction 24.
La réalisation de la troisième partie 10C va maintenant être décrite. Cette troisième partie 10C a la particularité d’avoir un rayon interne très inférieur au rayon externe.
La réalisation de la troisième partie 10C comporte une troisième étape de préparation d’une troisième stratégie de dépôt appliquée sur la troisième partie de la pièce finale à fabriquer, au moyen du logiciel informatique 18 de Conception et Fabrication Assistée par Ordinateur.
Un modèle 26 de la troisième partie, représenté sur la , est partagé en blocs 28 délimités par des plans espacés d’un angle constant (par exemple environ 15°). Il est à noter que, comme les rayons internes et externes sont très différents, de nombreuses couches ouvertes (dites partielles) sont créées, la troisième partie 10C nécessitant plus de matière au niveau du rayon externe qu’au niveau du rayon interne.
Les blocs 28 sont tranchés par des plans parallèles au plan de coupe de base. Les couches générées sont en grande majorité partielles du fait de la différence de rayon importante entre l’intrados et l’extrados. Toutes les couches d’un bloc sont déposées avec un angle d’inclinaison du plateau qui varie peu, le plateau réorientant la pièce de 15° supplémentaires pour le dépôt du bloc suivant.
La quatrième partie 10D présentant une forme simple, elle peut être réalisée par une stratégie de dépôt classique, ou en variante par la même stratégie que la seconde partie 10B dans le cas d’une forme plus complexe.
La réalisation de la quatrième partie 10D comporte une étape de de préparation d’une quatrième stratégie de dépôt appliquée sur la quatrième partie, au moyen du logiciel informatique 18 de Conception et Fabrication Assistée par Ordinateur.
La quatrième partie 10D est ensuite réalisée par fabrication additive à partir de la quatrième stratégie de dépôt. Cette étape est réalisée de manière classique, par dépôt de matière sous forme de couches planes, la forme cylindrique étant simple à réaliser.
Dans un mode de réalisation préféré, les couches sont déposées en faisant suivre à l’outil de dépôt des trajectoires définies autour de lignes circulaires ou elliptiques 30, comme cela est représenté sur les figures 7 et 8, plutôt que des trajectoires en allez/retour linéaires (trajectoire en balayage bidirectionnel). En effet, des trajectoires en allez/retour linéaires impliquent des décélérations puis accélération de l’outil lors des changements de direction, ce qui peut nuire à l’homogénéité du dépôt.
En revanche, des trajectoires suivant des lignes elliptiques 30, notamment circulaires, sont particulièrement adaptées à la réalisation d’une pièce de forme générale de révolution, une telle trajectoire étant continue, sans phénomène d’accélération ou décélération, ce qui permet un dépôt de matière plus homogène et présentant donc un meilleur aspect de surface.
On notera que l’outil 16 dépose un cordon 32 de matière en effectuant un balayage oscillant autour de la ligne circulaire ou elliptique 30, comme cela est représenté sur la . Les oscillations présentent une amplitude suffisante pour que tous les points entre les lignes circulaires ou elliptiques 30 puissent être atteints au moins lors d’un passage de l’outil 16.
De préférence, chaque couche est déposée dans un sens de rotation (c’est-à-dire horaire ou antihoraire) opposé de celui de la couche précédente.
Les cordons 12 d’une même couche débutent à des points de démarrage 34 qui sont alignés. Par ailleurs, les points de démarrage 34 de deux couches successives sont décalés angulairement d’une couche à l’autre, par exemple de 90°.
On notera que l’invention n’est pas limitée au mode de réalisation précédemment décrit, mais pourrait présenter diverses variantes complémentaires.
Claims (8)
- Procédé de fabrication d’une pièce (10) par fabrication additive arc-fil, caractérisé en ce qu’il comporte les étapes suivantes :
- une étape préparation d’une stratégie de dépôt pour au moins une partie (10B) de la pièce (10) à fabriquer, au moyen d’un logiciel informatique (18) de Conception et Fabrication Assistée par Ordinateur, utilisant un modèle (20) de ladite partie (10B),
- une étape d’ajout, dans le logiciel informatique (18), de lignes directrices (22) sur le modèle (20) en suivant la forme du modèle (20) dans une direction verticale (Z1),
- une étape de marquage, dans le logiciel informatique (18), de points (a...o) sur les lignes directrices (22), les points (a…o) étant rangés selon un rang allant d’un premier point inférieur (a) à un dernier point supérieur (o), de sorte que les points de rangs consécutifs de chaque ligne directrice (22) sont espacés d’une même distance (D) le long de cette ligne directrice (22),
- une étape de traçage, dans le logiciel informatique (18), de lignes de jonction (24), chaque ligne de jonction (24) joignant les points de même rang de toutes les lignes directrices (22), deux lignes de jonctions (24) successives dans la direction verticale (Z1) définissant une couche de matière,
- une étape de réalisation de la partie (10B) de la pièce par fabrication additive, par dépôt de couches de matière telles que définies par les lignes de jonction (24). - Procédé de fabrication selon la revendication 1, dans lequel, lors de l’étape d’ajout de lignes directrices (22), toutes les lignes directrices (22) présentent la même longueur totale, si bien qu’au moins l’une des lignes directrices (22) est prolongée verticalement au-delà du modèle (20).
- Procédé de fabrication selon la revendication 2, dans lequel au moins l’une des lignes de jonction (24) s’étend en partie en dehors du modèle (20), les prolongations de lignes directrices (22) et de lignes de jonction (24) s’étendant en dehors du modèle (20) étant supprimées du logiciel (18) avant l’étape de réalisation de la partie (10B).
- Procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’étape de réalisation est mise en œuvre à l’aide d’un dispositif (12) de fabrication additive, comprenant un plateau (14) sur lequel sera fabriquée la pièce, et un outil (16) de dépôt de matière, le plateau (14) s’étendant dans un plan, et étant mobile en rotation autour d’un axe central (A) perpendiculaire à ce plan, et mobile en basculement autour d’un axe (B)parallèle au plan, par exemple à une hauteur de 1041mm dudit plan.
- Procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel, lors de l’étape de réalisation, les couches sont déposées en faisant suivre à un outil de dépôt (16) des trajectoires définies autour de lignes circulaires ou elliptiques (30).
- Procédé de fabrication selon la revendication 5, dans lequel l’outil (16) dépose un cordon (32) de matière en effectuant un balayage oscillant autour de la ligne circulaire ou elliptique (30).
- Procédé de fabrication selon la revendication 6, dans lequel les cordons (12) d’une même couche débutent à des points de démarrage (34), par exemple alignés, les points de démarrage (34) de deux couches successives étant de préférence décalés angulairement d’une couche à l’autre, par exemple de 90°.
- Procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications 5 à 7, dans lequel chaque couche est déposée dans un sens de rotation opposé de celui de la couche précédente.
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