WO2020239764A1

WO2020239764A1 - Procédé de fabrication additive d'une pièce métallique

Info

Publication number: WO2020239764A1
Application number: PCT/EP2020/064574
Authority: WO
Inventors: Philippe Lefebvre; Coralie CHARPENTIER; Marc ROSAIN-GUEU
Original assignee: L'air Liquide Société Anonyme Pour L’Étude Et L'exploitation Des Procédés Georges Claude
Priority date: 2019-05-28
Filing date: 2020-05-26
Publication date: 2020-12-03
Also published as: FR3096592A1; FR3096592B1

Abstract

L'invention concerne un procédé de fabrication additive d'au moins une pièce métallique dans lequel ladite pièce métallique est formée par couches à partir d'un matériau de base (14) comprenant au moins une poudre métallique, plusieurs couches dudit matériau de base (14) étant déposées successivement les unes sur les autres, chaque couche étant, avant le dépôt de la couche suivante, fondue par au moins un faisceau laser (9) dans une région prédéfinie (7) qui correspond à une région de section transversale de la pièce métallique à fabriquer, ledit procédé étant opéré sous une atmosphère gazeuse protectrice formée par un gaz de protection contenant un gaz inerte et du dioxyde de carbone, le gaz inerte contenant au moins un composant inerte choisi parmi l'argon, l'hélium, l'azote. Selon l'invention, le gaz de protection contient au moins 1% en volume et au plus 20% en volume de dioxyde de carbone.

Description

DESCRIPTION

Titre : Procédé de fabrication additive d’une pièce métallique

La présente invention concerne un procédé de fabrication additive par fusion laser sur lit de poudre métallique.

La fabrication additive, également appelée « impression 3D », regroupe les procédés permettant de fabriquer des pièces en trois dimensions par ajout successif de couches de matière, à partir d’un modèle numérique, sans recourir à de l’outillage. Le terme « additive » est utilisé par opposition aux principes des méthodes traditionnelles, comme l’usinage, qui reposent sur un enlèvement de la matière.

Parmi les procédés existants, on connaît du document CN107971490A un procédé de fabrication additive par projection de poudre dans lequel un jet de poudre métallique est projeté par une buse dans une zone en fusion par un faisceau laser.

Le document W02006/133034A divulgue un procédé de fabrication additive par projection de poudre utilisant comme source d’énergie hybride un arc électrique et un faisceau laser.

L’article de L. Yan « Wire and Arc Additive Manufacture (WAAM) reusable tooling investigation », XP055661698, divulgue un procédé de fabrication additive par fusion à l'arc d’un fil métallique d’apport, également dénommé en langue anglaise « Wire Arc Additive Manufacturing ». Le matériau d’apport n’est pas une poudre mais fil de soudage lui-même.

Par ailleurs, on connaît des procédés mettant en oeuvre un faisceau laser et un matériau de base sous forme de poudre, le matériau étant fondu localement, et couche par couche, grâce à un balayage sélectif du lit de poudre par le laser, suivant un modèle numérique prédéfini. On parle aussi de fusion laser sur lit de poudre.

A la différence des procédés par frittage laser, dans lesquels la poudre est chauffée de sorte que les grains de poudre se soudent entre eux sans être fondus par le faisceau laser, les procédés par fusion laser entraînent un échauffement du matériau de base à une température supérieure à la température de fusion.

Dans un procédé par fusion laser, lors de l’interaction entre le faisceau laser et le lit de poudre, il se forme dans la région fondue par le faisceau une colonne de vapeur métallique appelée capillaire, ou « keyhole » en anglais, telle qu’on la rencontre dans des procédés de soudage laser. Du fait de la détente de la vapeur métallique vers l’extérieur du capillaire, il se produit des fumées et des projections métalliques qui sont arrachées du lit de poudre et du bain de métal fondu.

Bien que le lit de poudre soit généralement protégé par un jet de gaz distribué au-dessus du lit de poudre, les vitesses d’éjection des projections sont trop importantes pour que le jet de protection puisse les dévier efficacement.

On constate alors qu’une fois leur hauteur maximale d’ascension atteinte, les projections retombent en partie sur le lit de poudre en cours de fabrication, ainsi que sur la région du lit dit « propre », c’est-à-dire la région du lit destinée à être fusionnée par la suite, sur la même couche ou après étalement de la couche suivante.

Or, les projections métalliques contiennent des oxydes et la fusion d’oxydes lors de la fabrication des pièces par fabrication additive peut générer des défauts de fabrications au sein de la pièce tels que des défauts visuels, métallurgiques, de compacité et/ou de porosités.

La présente invention a pour but de proposer un procédé de fabrication additive par fusion laser sur lit de poudre métallique permettant notamment de réduire les effets néfastes des projections provenant du lit de poudre et d’améliorer la qualité de la pièce finale.

Une solution selon la présente invention est alors un procédé de fabrication additive d’au moins une pièce métallique dans lequel ladite pièce métallique est formée par couches à partir d’un matériau de base comprenant au moins une poudre métallique, plusieurs couches dudit matériau de base étant déposées successivement les unes sur les autres, chaque couche étant, avant le dépôt de la couche suivante, fondue par au moins un faisceau laser dans une région prédéfinie qui correspond à une région de section transversale de la pièce métallique à fabriquer, ledit procédé étant opéré sous une atmosphère gazeuse protectrice formée par un gaz de protection contenant un gaz inerte et du dioxyde de carbone, le gaz inerte contenant au moins un composant inerte choisi parmi l’argon, l’hélium, l’azote, caractérisé en ce que le gaz de protection contient au moins 1 % en volume et au plus 20% en volume de dioxyde de carbone.

Selon le cas, l’invention peut comprendre l’une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :

- le gaz de protection contient au moins 2% en volume de dioxyde de carbone.

- le gaz de protection contient au plus 10% en volume de dioxyde de carbone. - le gaz de protection contient au moins 1 % en volume et au plus 3% en volume de dioxyde de carbone, de préférence entre 1 ,5% et 2,5% en volume de dioxyde de carbone, de préférence encore environ 2% de dioxyde de carbone.

- le gaz de protection contient au moins 7% en volume de dioxyde de carbone.

- le gaz de protection contient au plus 9% en volume de dioxyde de carbone.

- le gaz de protection contient au moins 7,5% en volume de dioxyde de carbone.

- le gaz de protection contient environ 8% de dioxyde de carbone.

- le gaz inerte consiste en de l’argon.

- le gaz inerte consiste en de l’azote.

- le matériau de base est choisi parmi les aciers alliés, les aciers non alliés, en particulier les aciers inoxydables, les aciers au carbone, l’aluminium, les alliages d’aluminium, le nickel, les alliages de nickel, le titane, les alliages de titane.

- le matériau de base est un alliage de nickel, le gaz de protection contenant 8% de C0₂.

- le matériau de base est un alliage de titane, le gaz de protection contenant 2% de C0₂.

- le procédé est opéré par fusion laser sur lit de poudre, les couches de matériau de base étant déposées et fondues successivement suivant une direction de fabrication de la pièce, le procédé comprenant les étapes suivantes :

a) dépôt du matériau de base sous la forme d’une couche de poudre métallique sur un plateau de fabrication et étalement de ladite couche de façon à former un lit de poudre,

b) fusion sélective du lit de poudre par au moins un faisceau laser dans une région prédéfinie correspondant à une section transversale de la pièce métallique, c) déplacement du plateau de fabrication dans une direction opposée à la direction de fabrication,

d) dépôt d’une nouvelle couche de poudre métallique et étalement sur le lit de poudre de poudre formé à l’étape a) de façon à former un nouveau lit de poudre, e) fusion sélective du nouveau lit de poudre par le faisceau laser dans une nouvelle région prédéfinie correspondant à une nouvelle section transversale de la pièce métallique.

- le procédé est opéré dans une chambre de fabrication contenant une atmosphère gazeuse protectrice, de préférence une atmosphère formée d’un gaz de protection inerte tel l’argon ou l’azote.

- le faisceau laser est généré par au moins une source laser choisie parmi un laser C02, un laser à fibres ou à disques, un laser à diodes.

- le faisceau laser a une longueur d’onde comprise entre 800 et 1100 nm, de préférence comprise entre 1050 et 1100 nm.

L’invention va maintenant être mieux décrite grâce à la figure unique ci- annexée, fournie à titre illustratif et non limitatif.

Fig. 1 représente une installation pour la mise en oeuvre d’un procédé de fabrication additive selon un mode de réalisation de l’invention.

Fig. 2 montre des images des projections générées lors de la fabrication d’une pièce, d’une part avec un gaz de protection selon l’art antérieur, et d’autre part avec un gaz de protection selon un mode de réalisation de l’invention.

Fig. 3 montre un comparatif d’analyses chimiques réalisées sur de la poudre neuve et sur des pièces fabriquées sous un gaz de protection selon l’art antérieur ou sous un gaz de protection selon l’invention.

Fig. 4 montre des images des projections générées lors de la fabrication d’une pièce, d’une part avec un gaz de protection selon l’art antérieur, et d’autre part avec un gaz de protection selon un mode de réalisation de l’invention.

La fusion d’un lit de poudre 14, formant le matériau de base, est réalisée par balayage d’un faisceau laser 9 obtenu à l’aide d’une tête 11 ou scanner, comprenant par exemple un miroir de renvoi orientable. La tête 11 est pilotée par une commande numérique qui oriente le faisceau laser vers les zones à fondre du lit de poudre 14.

Le faisceau laser 9 peut être généré par au moins une source laser choisie parmi un laser CO2, un laser à fibres ou à disques, un laser à diodes.

Avantageusement, on utilise un faisceau laser 9 ayant une longueur d’onde comprise entre 800 et 1100 nm, de préférence comprise entre 1050 et 1100 nm.

De préférence, le faisceau laser est du type monomode, une bonne qualité optique de faisceau permettant de réduire la dimension de la tache focale du faisceau qui est focalisé dans un plan de focalisation voisin du lit de poudre. De préférence, on utilise un diamètre de tache focale inférieur à 200 pm, de préférence inférieur à 100 pm, de préférence de l’ordre de 70 pm.

On pourra aussi utiliser un faisceau laser multimode et/ou un faisceau ayant une répartition de son énergie sensiblement constante dans un plan, c’est-à-dire un faisceau dit « hauts-de-forme » (également désigné par « top hat » en langue anglaise).

De préférence, le faisceau laser 9 a une puissance d’au moins 100 W, de préférence au moins 500 Watts, voire une puissance de 1000 à 2000 W.

Le procédé selon l’invention est de préférence opéré dans une enceinte appelée chambre de fabrication 8. La chambre 8 contient une atmosphère gazeuse formée, de façon habituelle, d’un gaz de protection inerte tel que l’argon ou l’azote. Le gaz de protection est distribué dans la chambre par au moins un orifice, de préférence au moins deux orifices. De préférence, au moins un premier orifice 13 distribue le gaz de protection au-dessus du lit de poudre 14, de préférence dans un plan sensiblement orthogonal à la direction de fabrication z suivant laquelle les couches de matériau de base sont déposées et fondues successivement. De préférence, le jet de gaz de protection est distribué suivant une direction d’écoulement y orthogonale à la direction z.

La chambre est équipée d’un système d’aspiration des fumées et des projections. Ce système est agencé de préférence sur un côté de la chambre situé à l’opposé du premier orifice 13. La direction d’écoulement y est orientée du premier orifice 13 vers au moins un orifice d’aspiration du système d’aspiration.

Un second orifice 12 distribue le gaz de protection en-dessous du hublot de protection 10 de manière à éviter l’encrassement de celui-ci par les fumées issues du processus de fusion des couches.

De préférence, la fabrication de la pièce débute après une étape de purge de la chambre de fabrication permettant d’obtenir une atmosphère gazeuse dont la teneur en oxygène est inférieure à 0, 1 % en volume. La chambre de fabrication comprend des capteurs, par exemple de type électrochimique ou zircone, configurés pour mesurer la teneur en oxygène dans la chambre de fabrication et ainsi autoriser ou stopper la fabrication.

Pendant la fabrication des pièces, le lit de poudre 14 est étalé par un racleur 2 sur un plateau de fabrication 4. La poudre est alimentée par un bac 1 qui remonte grâce à un piston 3. Le surplus de poudre tombe dans le réservoir 6. Après chaque fabrication de couche, le plateau de fabrication 4 descend, dans une direction opposée à la direction de fabrication z, d’une hauteur correspond à la hauteur de la nouvelle couche de poudre déposée sur la couche précédente. Après le dépôt de chaque couche, un balayage sélectif du lit de poudre est opéré avec le faisceau laser, suivant le modèle numérique déterminant la forme tridimensionnelle de la pièce. La couche de poudre métallique est fondue sélectivement dans une région prédéfinie correspondant à une section transversale de la pièce métallique que l’on souhaite fabriquer, cette section transversale étant orthogonale à la direction de fabrication z. Les étapes de dépôt et de fusion de lit et déplacement de plateau sont réitérées au moins une fois, jusqu’à la construction complète de la pièce par superposition, suivant la direction z, des différentes sections fondues. Notons que de préférence, le dépôt d’une nouvelle couche se fait après solidification de la couche précédente.

Il est ainsi possible de contrôler finement le dépôt de la matière dans les zones souhaitées et de réaliser des pièces en trois dimensions de forme plus complexes qu’avec les méthodes de fabrication classiques.

A noter que la fusion de la poudre s’effectue de préférence suivant des directions globales de fusion opposées à la direction d’écoulement y.

Sur le plateau de fabrication 4, une quantité de poudre non fondue 5 subsiste autour de la pièce 7 en cours de fabrication. De manière générale, l'épaisseur de chaque couche fabriquée est comprise entre 10 à 120 pm, suivant la qualité et la rapidité de fabrication de la pièce ou des pièces à réaliser. Cette épaisseur de couche dépend également de la granulométrie des poudres. De préférence, la poudre métallique utilisée est formée de grains d’un diamètre compris entre 10 et 70 pm.

Selon l’invention, le procédé de fabrication additive est opéré sous une atmosphère gazeuse protectrice formée par le gaz de protection, ledit gaz de compression contenant un gaz inerte et du dioxyde de carbone.

Le gaz inerte contient au moins un composant inerte choisi parmi l’argon, l’hélium, l’azote.

Le gaz de protection contient en outre au moins 1 % en volume et au plus 20% en volume de dioxyde de carbone.

En effet, les inventeurs de la présente invention ont mis en évidence que l’ajout de dioxyde de carbone dans les teneurs spécifiées permettent de réduire significativement les vitesses d'éjections des projections générées par le laser lors du processus de fusion. La vitesse d'éjection des particules étant réduite, le jet de gaz de protection peut orienter plus efficacement les projections vers le système d’aspiration de la chambre de fabrication. On constate également une diminution de l’encrassement des parois internes de la chambre de fabrication.

En fait, l’ajout du dioxyde de carbone conduirait, toutes conditions étant égales par ailleurs, à une ouverture plus importante du keyhole. Le keyhole étant plus large, la pression dans le capillaire est réduite et la vapeur métallique est détendue à une pression plus faible. Il y a moins de métal fondu arraché autour du capillaire et la vitesse des projections est réduite. En outre, le dioxyde de carbone pourrait avoir un effet oxydant sur le métal fondu, ce qui augmente son coefficient d’absorption. Au vu des fortes densités de puissance mises en jeu, typiquement une dizaine de MW/cm² au niveau du point de focalisation du faisceau laser, l’augmentation du coefficient d’absorption produite par l’ajout de dioxyde de carbone dans le gaz de protection conduit à augmenter la profondeur de pénétration, et donc à réduire la pression de vapeur dans le capillaire.

Par ailleurs, l’ajout de dioxyde de carbone dans le gaz de protection tend à augmenter la pression dynamique du jet de gaz de protection, du fait de sa masse molaire plus importante que celle de l’argon ou de l’azote, ce qui renforce son action sur les projections et les fumées.

De préférence, le gaz de protection contient au moins 2% en volume de dioxyde de carbone. L’effet néfaste des projections est alors significativement réduit.

De préférence, le gaz de protection contient au plus 10% en volume de dioxyde de carbone. On limite ainsi le risque d’augmenter la teneur en carbone du matériau constitutif de la pièce fabriquée, ce qui pourrait la fragiliser.

Avantageusement, le gaz de protection contient au moins 1 % en volume et au plus 3% en volume de dioxyde de carbone, de préférence entre 1 ,5% et 2,5% en volume de dioxyde de carbone, de préférence encore environ 2% de dioxyde de carbone.

Avantageusement, le gaz de protection contient au moins 7% en volume et au plus 9% en volume de dioxyde de carbone, de préférence entre 7,5% et 8,5% en volume de dioxyde de carbone, de préférence encore environ 8% de dioxyde de carbone.

Selon un mode de réalisation avantageux, le gaz inerte consiste en de l’argon.

Selon une variante, le gaz inerte consiste en de l’azote. On pourra préférer l’argon à l’azote lorsque l’on souhaite limiter, dans certaines applications, le risque métallurgique associé et la nitruration non désirée de la pièce fabriquée.

Dans le cadre de l’invention, le matériau de base 14 peut être choisi parmi les aciers alliés, les aciers non alliés, en particulier les aciers inoxydables, les aciers au carbone, l’aluminium, les alliages d’aluminium, le nickel, les alliages de nickel, le titane, les alliages de titane.

En particulier, lorsque le matériau de base 14 est un alliage de nickel, en particulier un alliage du type « Inconel® » 625, l’utilisation d’un gaz de protection contenant 8% de CO2 dans de l’argon conduit à de bonnes performances de fabrication.

Par ailleurs, lorsque le matériau de base 14 est un alliage de titane, en particulier du type TÎAI6V4 (ou TÎ-6AI-4), l’utilisation d’un gaz de protection contenant 2% CO2 dans de l’argon conduit à de bonnes performances de fabrication.

Afin de démontrer l’efficacité d’un procédé selon l’invention, des essais comparatifs de fabrication additive ont été réalisés sur différents matériaux de base avec différents gaz de protection.

Les pièces fabriquées pour ces essais comparatifs comprenaient une série de structures de forme parallélépipédique érigées suivant la direction de fabrication z. Les structures avaient une hauteur de l’ordre de 15 mm, une largeur de l’ordre de 15 mm et une longueur de l’ordre de 15 mm. Les couches successives déposées avaient des épaisseurs de 30 pm, 60 pm et 100 pm. Des pièces comprenant des parois d’une épaisseur de l’ordre de 0,5 mm ont été fabriqués. Lors de la fabrication des pièces, une caméra rapide a été utilisée pour filmer les projections métalliques avec une cadence d’acquisition de 2500 images par seconde.

Dans un premier essai, le matériau de base était de G « Inconel® » 625.

Fig. 2 montre des images des projections générées lors de la fabrication de la pièce, d’une part avec un gaz de protection constitué d’argon, en (a), et d’autre part avec un gaz de protection formé de 8% de dioxyde de carbone et d’argon pour le reste, en (b). On observe des traînées lumineuses en (a), ce qui indique que la vitesse d'éjection des projections est plus importante qu’en (b). Il y a également moins de projections visibles en (b) qu’en (a) car celles-ci sont dirigées plus efficacement vers le système d’aspiration. Fig. 3 montre les résultats d’analyses chimiques réalisées sur de la poudre neuve, n’ayant pas été utilisée en chambre. La mesure de la teneur en carbone de cette poudre (mesure 1 ) sert de valeur de référence à laquelle comparer les analyses réalisées sur des pièces fabriquées sous argon (mesure 2) et sous argon avec 8% de dioxyde de carbone (mesure 3). On constate que les teneurs en carbone, exprimées en % en poids, sont sensiblement les mêmes et que l’ajout de dioxyde de carbone dans l’argon n’occasionne pas d’augmentation indésirable du taux de carbone dans les pièces. Le gaz de protection selon l’invention préserve donc l’intégrité structurelle des pièces fabriquées.

Dans un deuxième essai, le matériau de base était un alliage de titane dénommé TÎAI6V4, également désigné par la référence TÎ-6AI-4V, et comprenant de l'aluminium (environ 7 % en poids) et du vanadium (environ 4,5 % en poids), des traces de carbone, de fer, d'oxygène et d'azote, et du titane pour le reste.

Ce deuxième essai a confirmé les résultats du premier et mis en évidence des traînées lumineuses plus importantes sous argon seul (en (c)) que sous gaz de protection formé de 8% de dioxyde de carbone dans de l’argon (en (d)), comme montré sur Fig. 4.

Claims

REVENDICATIONS

1 . Procédé de fabrication additive d’au moins une pièce métallique dans lequel ladite pièce métallique est formée par couches à partir d’un matériau de base (14) comprenant au moins une poudre métallique, plusieurs couches dudit matériau de base (14) étant déposées successivement les unes sur les autres, chaque couche étant, avant le dépôt de la couche suivante, fondue par au moins un faisceau laser (9) dans une région prédéfinie (7) qui correspond à une région de section transversale de la pièce métallique à fabriquer, ledit procédé étant opéré sous une atmosphère gazeuse protectrice formée par un gaz de protection contenant un gaz inerte et du dioxyde de carbone, le gaz inerte contenant au moins un composant inerte choisi parmi l’argon, l’hélium, l’azote, caractérisé en ce que le gaz de protection contient au moins 1 % en volume et au plus 20% en volume de dioxyde de carbone.

2. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le gaz de protection contient au moins 2% en volume de dioxyde de carbone.

3. Procédé selon l’une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le gaz de protection contient au plus 10% en volume de dioxyde de carbone.

4. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le gaz inerte consiste en de l’argon.

5. Procédé selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le gaz inerte consiste en de l’azote.

6. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau de base (14) est choisi parmi les aciers alliés, les aciers non alliés, en particulier les aciers inoxydables, les aciers au carbone, l’aluminium, les alliages d’aluminium, le nickel, les alliages de nickel, le titane, les alliages de titane.

7. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le gaz de protection contient au moins 1 % en volume et au plus 3% en volume de dioxyde de carbone, de préférence entre 1 ,5% et 2,5% en volume de dioxyde de carbone, de préférence encore environ 2% de dioxyde de carbone.

8. Procédé selon l’une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le gaz de protection contient au moins 7% en volume et au plus 9% en volume de dioxyde de carbone, de préférence entre 7,5% et 8,5% en volume de dioxyde de carbone, de préférence encore environ 8% de dioxyde de carbone.

9. Procédé selon l’une des revendications 1 à 6 ou selon la revendication 8, caractérisé en ce que le matériau de base (14) est un alliage de nickel, le gaz de protection contenant 8% en volume de CO2.

10. Procédé selon l’une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le matériau de base (14) est un alliage de titane, le gaz de protection contenant 2% en volume de C0_2.

11. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il est opéré par fusion laser sur lit de poudre, les couches de matériau de base (14) étant déposées les unes sur les autres suivant une direction de fabrication (z) de la pièce, le procédé comprenant les étapes suivantes :

a) dépôt du matériau de base (14) sous la forme d’une couche de poudre métallique sur un plateau de fabrication (4) et étalement de ladite couche de façon à former un lit de poudre,

b) fusion sélective du lit de poudre formé à l’étape b) par au moins un faisceau laser (9) dans une région prédéfinie (7) correspondant à une section transversale de la pièce métallique,

c) déplacement du plateau de fabrication (4) dans une direction parallèle et opposée à la direction de fabrication (z),

d) dépôt d’une nouvelle couche de poudre métallique et étalement sur le lit de poudre formé à l’étape a) de façon à former un nouveau lit de poudre, e) fusion sélective du nouveau lit de poudre par le faisceau laser (9) dans une nouvelle région prédéfinie (7) correspondant à une nouvelle section transversale de la pièce métallique.

12. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il est opéré dans une chambre de fabrication (8) contenant une atmosphère gazeuse protectrice, de préférence une atmosphère formée d’un gaz de protection inerte tel l’argon ou l’azote.

13. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le faisceau laser (9) est généré par au moins une source laser choisie parmi un laser CO2, un laser à fibres ou à disques, un laser à diodes.

14. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le faisceau laser (9) a une longueur d’onde comprise entre 800 et 1 100 nm, de préférence comprise entre 1050 et 1000 nm.