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WO2024126952A1 - Dispositif et procede de fabrication additive avec un ecoulement gazeux de protection d'une fenetre d'acces optique - Google Patents

Dispositif et procede de fabrication additive avec un ecoulement gazeux de protection d'une fenetre d'acces optique Download PDF

Info

Publication number
WO2024126952A1
WO2024126952A1 PCT/FR2023/052003 FR2023052003W WO2024126952A1 WO 2024126952 A1 WO2024126952 A1 WO 2024126952A1 FR 2023052003 W FR2023052003 W FR 2023052003W WO 2024126952 A1 WO2024126952 A1 WO 2024126952A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
flow rate
blowing
window
width
flow
Prior art date
Application number
PCT/FR2023/052003
Other languages
English (en)
Inventor
Sébastien DEVROE
Original Assignee
Addup
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Addup filed Critical Addup
Publication of WO2024126952A1 publication Critical patent/WO2024126952A1/fr

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    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/20—Direct sintering or melting
    • B22F10/28—Powder bed fusion, e.g. selective laser melting [SLM] or electron beam melting [EBM]
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    • B22F10/30—Process control
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    • B22F10/322—Process control of the atmosphere, e.g. composition or pressure in a building chamber of the gas flow, e.g. rate or direction
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    • B29C64/10—Processes of additive manufacturing
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y50/00—Data acquisition or data processing for additive manufacturing
    • B33Y50/02—Data acquisition or data processing for additive manufacturing for controlling or regulating additive manufacturing processes

Definitions

  • the invention relates to additive manufacturing and in particular additive manufacturing in which the additive manufacturing powder is consolidated by a laser beam.
  • the optical access window is the window that allows the passage of the laser beam.
  • the additive manufacturing powder When additive manufacturing, the additive manufacturing powder is consolidated by laser beam, the enclosure containing the powder has an optical access window to allow the laser beam to enter the enclosure. Exposure of the powder to the beam generates a fusion plasma. Lasing fumes may be produced in the enclosure. These can be deposited on the optical access window. To limit this pollution, a gas flow can be implemented along the window but it is difficult to adjust this flow so that it protects the window without disrupting the circulation of fluids in the enclosure. The adjustment becomes more difficult as the size of the optical access window increases.
  • an additive manufacturing device comprising:
  • Such a device is advantageously and optionally supplemented by the following different characteristics taken alone or in combination:
  • the evacuation gas flow is centered on an evacuation plane parallel to a powder spreading plane distant from the evacuation plane;
  • the protective gas flow is centered on a protection plane parallel to the window distant from the protection plane, the protection plane being advantageously separated from the window by a distance less than or equal to 30 mm;
  • the blowing nozzle is configured to blow a blowing flow rate and the suction nozzle is configured to suck up a suction flow rate, the blowing flow rate being strictly greater than the suction flow rate, a ratio of the blowing flow rate to the suction flow rate being advantageously greater than or equal to 1.3 and less than or equal to 3.0;
  • the blowing nozzle is configured to blow a blowing flow rate at a speed greater than or equal to one meter per second and at a pressure greater than an average pressure in the enclosure;
  • the suction nozzle is configured to suck up a suction flow at a speed less than or equal to half a meter per second, and at a pressure less than an average pressure in the enclosure;
  • a filtration system configured to filter a fluid sucked in by the suction nozzle and to supply the blowing nozzle with the filtered fluid
  • the window extends over a first width in one direction, the suction nozzle and the blowing nozzle are configured to produce the protective flow over a second width in the direction, the second width being greater than or equal to the first width;
  • the suction nozzle and the blowing nozzle are configured so that the protective gas flow has a uniform flow rate over the second width, a relative difference in flow rate between two points of the second width being less than or equal to 5% ;
  • the suction nozzle and the blowing nozzle are configured so that the protective gas flow has a flow rate which increases as one moves away from a center of the window.
  • the invention also relates to an additive manufacturing process comprising the following steps:
  • the blowing nozzle blows a blowing flow rate and the suction nozzle sucks a suction flow rate, the blowing flow rate being strictly greater than the suction flow rate, a ratio of the blowing flow rate to the suction flow rate being advantageously greater than or equal to 1.3 and less than or equal to 3.0, preferably the blowing nozzle blows the blowing flow at a blowing speed greater than or equal to one meter per second, and at a pressure greater than a pressure average in the enclosure, and preferably the suction nozzle sucks a suction flow at a suction speed less than or equal to half a meter per second, and at a pressure less than an average pressure in the enclosure. pregnant ;
  • the window extends over a first width in one direction, the protective gas flow having a uniform flow rate over a second width in the direction, the second width being greater than or equal to the first width, a relative difference in flow rate between two points of the third width being less than or equal to 5%;
  • the window extends over a first width in one direction, the protective gas flow having a flow rate over a second width in the direction, the second width being greater than or equal to the first width, the flow rate increasing as the 'we move away from a center of the window.
  • an additive manufacturing device 20 comprises an enclosure 7 configured to contain additive manufacturing powder 6.
  • Enclosure 7 is a sealed enclosure in which a gaseous environment is controlled.
  • the gaseous environment may be composed of an inert gas. In this way, the gaseous environment in contact with powder 6 does not alter powder 6.
  • Powder 6 is composed of a powdery material (metal powder, ceramic powder, etc.) intended to be consolidated layer by layer, by total or partial selective fusion.
  • the powder 6 can be spread along a spreading plane 17 which is, preferably, horizontal and located in a lower part of the enclosure 7.
  • the horizontal plane corresponds to the plane defined by the x and y axes.
  • the vertical direction is given by the z axis which is oriented upwards in these figures.
  • the fusion is carried out with a power source which is here a laser source 1 configured to produce a laser beam and expose the powder 6 to the laser beam through a window 2 of the enclosure 7.
  • the laser source makes it possible to selectively consolidate areas powder exposed to the laser beam.
  • the laser source 1, included in the additive manufacturing device 20, is located outside the enclosure 7 and facing a window 2 located on one of the walls of the enclosure 7.
  • the laser source 1 can emit a beam laser 4 or more laser sources can emit several laser beams simultaneously.
  • Window 2 is transparent to the wavelength of laser beam 4. In this way, little or no energy from laser beam 4 is lost when passing through window 2.
  • Window 2 is preferably rectangular, horizontal and located in the upper part of enclosure 7 facing powder 6.
  • the enclosure 7 is configured to produce a gas flow 15 for evacuation against the powder 6.
  • This gas flow is intended to evacuate lasing fumes produced during the melting of the powder.
  • the exhaust flow 15 is a laminar flow of inert gas generated inside the enclosure 7 against the powder 6.
  • the exhaust flow 15 flows above the powder 6 and has a flow rate high enough to carry lasing fumes produced during the melting of the powder and low enough not to displace the powder 6.
  • the gas flow 15 has for example a thickness of 5 mm high at the above the powder at a speed of 1 to 2 meters per second.
  • Two nozzles 13 and 14, placed inside the enclosure, can for example be used to produce the gas flow 15.
  • the gas evacuation flow 15 is centered on an evacuation plane Pe parallel to a spreading plane 17 of the powder.
  • the evacuation plane Pe is also horizontal.
  • the spreading plane 17 is distant from the evacuation plan Pe.
  • the evacuation flow 15 extends in a direction orthogonal to the evacuation plane Pe so that the maximum flow rate is reached in the evacuation plane or at least in an area surrounding the evacuation plane Pe. As one moves away from the evacuation plane Pe in the orthogonal direction, the flow rate of the evacuation flow 15 decreases.
  • the distance separating the spreading plane 17 and the evacuation plane Pe is advantageously less than or equal to 4 millimeters. The distance can be between 1 and 4 millimeters and more advantageously between 2 and 3 millimeters.
  • the additive manufacturing device 20 further comprises a blowing nozzle 3 and a suction nozzle 8 configured to produce a protective gas flow 18 in the enclosure 7 against the window 2.
  • the blowing nozzle 3 is understood here as a device which blows a gas such as for example an inert gas.
  • the blowing nozzle 3 can be connected via a blowing manifold 5 to a blowing fan 10.
  • the suction nozzle 8 is understood here as a device which sucks in a gas such as for example an inert gas.
  • the suction nozzle 8 can be connected via a suction feeder 9 to a suction fan 11.
  • the main direction of protective gas flow 18 is directed from the blowing nozzle 3 towards the suction nozzle 8.
  • the protective gas flow 18 is preferably a laminar flow of inert gas.
  • the blowing nozzle 3 is inside the enclosure on one side of the window, and the suction nozzle 8 is inside the enclosure on the other side of the window, so that the two nozzles are inside the enclosure 7 and facing each other.
  • the use of the blowing nozzle 3 and the suction nozzle 8 makes it possible to more easily control the characteristics of the protective gas flow, and the window can be more effectively protected from smoke.
  • lasing In particular, it is possible to produce a laminar gas flow capable of protecting windows of larger size than in the prior art. It is also possible to protect the window with a flow rate lower than a disturbance flow rate.
  • the disturbance flow rate is a flow rate from which the protective flow disrupts the circulation of gases in the gaseous environment of the enclosure 7, such as for example the diffusion of lasing fumes in the enclosure 7 or the flow of evacuation 15 which flows against the powder 6.
  • the protective gas flow 18 is centered on a protection plane Pp parallel to the window 2.
  • the protection plane Pp is also horizontal, the blowing nozzle 3 and the nozzle suction 8 are separated by a horizontal distance, for example along the x axis.
  • the window 2 is separated from the protection plane Pp.
  • the protection flow 18 extends in a direction orthogonal to the protection plane Pp so that the maximum flow rate of the flow is reached in the protection plane Pp or at least in an area surrounding the protection plane Pp. As one moves away from the protection plane Pp in the orthogonal direction, the flow rate of the protection flow Pp decreases.
  • the distance separating the protection plane Pp and the window 2 is advantageously less than or equal to 30 millimeters. The distance can be between 5 and 25 millimeters and more advantageously between 7 and 15 millimeters.
  • the blowing nozzle 3 is configured to blow a blowing flow rate ds and the suction nozzle 8 is configured to suck a suction flow rate da.
  • the blowing flow rate ds is advantageously chosen to be strictly greater than the suction flow rate da. This prevents the suction nozzle from sucking in lasing fumes from the laser fusion process. In this situation, only part of the flow blown by the blowing nozzle is sucked by the suction nozzle. Part of the blown flow deviates from the area and in particular from the window. There is therefore a component of the protective flow 18 which pushes the lasing fumes further away from the window.
  • Another fluid circulation system in the enclosure 7 can suck air into the enclosure so that the part of the flow blown by the blowing nozzle which is not sucked in by the suction nozzle does not disturb the average pressure inside the enclosure and more generally the circulation of gases in the enclosure.
  • a ratio ds/da of the blowing flow rate to the flow rate is chosen suction advantageously greater than or equal to 1.3 and less than or equal to 3.0.
  • the ratio can in particular be adjusted according to the geometry of the window and the length separating the blowing nozzle 3 and the suction nozzle 8: if this length increases, a lower ds/da ratio can be chosen.
  • the fluid blown by the blowing nozzle can be blown at a blowing speed greater than or equal to one meter per second and at a pressure greater than an average pressure in the enclosure.
  • the blowing nozzle 3 can be connected to the blowing manifold 5 whose pressure is greater than the pressure prevailing in the enclosure 7 and allowing the blowing speed greater than or equal to 1 m/s.
  • the fluid sucked by the suction nozzle can be sucked at a suction speed less than or equal to half a meter per second and at a pressure less than an average pressure in the enclosure .
  • the suction nozzle 8 can be connected to the suction feeder 9 whose pressure is lower than the pressure prevailing in the enclosure 7 and allowing the suction speed less than or equal to 0.5 m/ s.
  • the device 20 comprises a filtration system 12.
  • the filtration system 12 is configured to filter the fluid sucked up by the suction nozzle and to supply the blowing nozzle with the filtered fluid.
  • the filtration system 12 makes it possible to create a gas circulation loop of the protective flow 18. The gas sucked in by the suction nozzle 8 is, once filtered, recirculated towards the blowing nozzle 3 who blows it back against window 2.
  • blowing fan 10 which, as presented previously, is fluidly connected to the blowing nozzle 3 via the blowing manifold 5 and
  • a main fan 21 can also be added in order to ensure a minimum flow rate in the gas circulation loop of the protective flow 18.
  • the main fan is fluidly connected to the outlet of the filtration system 12.
  • the filtration system 12 can also be configured to filter the fluid from the exhaust gas flow 15 which flows against the powder 6.
  • the two nozzles 13 and 14 which produce the exhaust gas flow 15 are then fluidly connected to the filtration system 12.
  • One of the nozzles 13 and 14 is fluidly connected to the inlet of the filtration system 12, and the other of the nozzles 13 and 14 is fluidly connected to the outlet of the filtration system 12.
  • the outlet of the main fan 21 can be fluidly connected on the one hand to the blowing nozzle 3 via the blowing manifold and on the other hand to one of the nozzles 13 and 14 which produce the exhaust gas flow 15.
  • the window 2 can extend over a first width in one direction, the suction nozzle and the blowing nozzle are configured to produce a protective flow over a second width in the direction, the second width being greater than or equal to the first width.
  • the direction mentioned above can be described as a transverse direction, that is to say orthogonal to the main direction of the protective flow.
  • the main direction of flow is the direction in which the blowing nozzle 3 and the suction nozzle 8 face each other.
  • the window 2 is rectangular and the transverse direction and the main direction of flow correspond to the directions of the sides of the rectangle formed by the window.
  • the transverse direction is a horizontal direction. If the blow nozzle 3 and the suction nozzle 8 are separated by a horizontal distance along the x axis, then the transverse direction is parallel to the y axis, as shown in Figure 2.
  • the second width in the direction is greater than or equal to the first width
  • the flow rate of the protective gas flow is uniform over the second width.
  • the flow rate at each point of this segment remains constant or substantially constant.
  • constant or substantially constant is meant here a relative difference in flow rate between two points of the second width less than or equal to 5%.
  • the flow rate of the protective gas flow is variable over the second width and more precisely the flow increases as we move away from a center of the window.
  • the flow rate at each point of this segment varies along the segment.
  • the flow is minimum at a central point of the segment which corresponds to the center of the window.
  • the flow increases on either side of this central point.
  • the center of the window a central direction of the window oriented according to the main direction of flow and orthogonal to the transverse direction.
  • the central direction passes through the center of the window.
  • the central direction De passes through the center of the rectangle and is parallel to two of the sides of the rectangle: it is one of the axes of symmetry of the rectangle .
  • An additive manufacturing device 20 as just presented makes it possible to implement an additive manufacturing process comprising the following steps.
  • a gaseous evacuation flow 15 is produced against the powder 6 contained in the enclosure 7. This flow is intended to evacuate the lasing fumes produced during the melting of the powder 6.
  • the powder 6 is exposed to a laser beam produced by the laser source 1 through the window 2 of the enclosure 7.
  • This step makes it possible to provide the powder 6 with sufficient energy to cause consolidation. Lasing fumes can be emitted by the powder 6 and these are then carried away by the gaseous evacuation flow 15.
  • the evacuation flow 15 does not, however, make it possible to remove all the lasing fumes from the enclosure. the wise.
  • a protective gas flow 18 is produced in the enclosure 7 against the window 2, the flow being produced by the blowing nozzle 3 and the suction nozzle 8.
  • the protective flow 18 flows against the window 2 and makes it possible to keep away from the window 2 the lasing fumes which would not be removed from the enclosure by the protective gas flow.
  • first step, second step and third step are used here to describe actions performed during the process, but not limited to any particular chronological order between them. In particular, these steps can be carried out at the same time.
  • blowing nozzle 3 blows a blowing flow rate ds and the suction nozzle 8 draws a suction flow rate da, the blowing flow rate being strictly greater than the suction flow rate.
  • a ds/da ratio of the blowing flow rate to the suction flow rate can advantageously be chosen greater than or equal to 1.3 and less than or equal to 3.0.
  • the blowing nozzle 3 blows the blowing flow at a blowing speed greater than or equal to one meter per second, and at a pressure greater than an average pressure in the enclosure.
  • the suction nozzle 8 sucks a suction flow at a suction speed less than or equal to half a meter per second, and at a pressure less than an average pressure in the enclosure
  • the method comprises a step of filtering a fluid sucked in by the suction nozzle 8, and a step of blowing the fluid filtered by the blowing nozzle 3.
  • the device 20 then comprises the filtration system 12 as described previously.
  • the window 2 extends over a first width in one direction, the gas flow having a uniform flow rate over a second width in the direction, the second width being greater than or equal to the first width, a relative difference in flow between two points of the third width being less than or equal to 5%.
  • the window extends over a first width in one direction, the gas flow having a flow rate over a second width in the direction, the second width being greater than or equal to the first width, the flow increasing as one moves away from a center of the window.

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Abstract

Dispositif (20) de fabrication additive comprenant : - une enceinte (7) configurée pour contenir de la poudre (6) et pour produire un écoulement gazeux d'évacuation (15) contre la poudre (6), - une source laser (1 ) configurée pour produire un faisceau laser et exposer la poudre (6) au faisceau laser à travers une fenêtre (2) de l'enceinte (7), - une buse de soufflage (3) et une buse d'aspiration (8) configurées pour produire un écoulement gazeux de protection (18) dans l'enceinte (7) contre la fenêtre (2).

Description

Dispositif et procédé de fabrication additive avec un écoulement gazeux de protection d’une fenêtre d’accès optique
DOMAINE DE L'INVENTION
L’invention concerne la fabrication additive et notamment la fabrication additive dans laquelle la poudre de fabrication additive est consolidée par faisceau laser. La fenêtre d’accès optique est la fenêtre qui permet le passage du faisceau laser.
ETAT DE LA TECHNIQUE
Lorsqu’on fabrication additive, la poudre de fabrication additive est consolidée par faisceau laser, l’enceinte contenant la poudre présente une fenêtre d’accès optique pour permettre au faisceau laser d’entrer dans l’enceinte. L’exposition de la poudre au faisceau génère un plasma de fusion. Des fumées de lasage peuvent être produites dans l’enceinte. Celles-ci peuvent se déposer sur la fenêtre d’accès optique. Pour limiter cette pollution, on peut mettre en œuvre un écoulement gazeux le long de la fenêtre mais il est difficile d’ajuster cet écoulement pour qu’il protège la fenêtre sans qu’il ne perturbe la circulation des fluides dans l’enceinte. L’ajustement est d’autant plus difficile à réaliser que la taille de la fenêtre d’accès optique augmente.
Il existe un besoin pour protéger plus efficacement et plus simplement la fenêtre d’accès optique des fumées de lasage sans perturber la circulation des fluides dans l’enceinte.
EXPOSE DE L'INVENTION
Un but de l’invention est de proposer un dispositif et un procédé de fabrication additive pour protéger plus efficacement et plus simplement la fenêtre d’accès optique des fumées de lasage sans perturber la circulation des fluides dans l’enceinte.
Le but est atteint dans le cadre de la présente invention grâce à un dispositif de fabrication additive comprenant :
- une enceinte configurée pour contenir de la poudre et pour produire un écoulement gazeux d’évacuation contre la poudre,
- une source laser configurée pour produire un faisceau laser et exposer la poudre au faisceau laser à travers une fenêtre de l’enceinte,
- une buse de soufflage et une buse d’aspiration configurées pour produire un écoulement gazeux de protection dans l’enceinte contre la fenêtre. Un tel dispositif est avantageusement et optionnellement complété par les différentes caractéristiques suivantes prises seules ou en combinaison :
- l’écoulement gazeux d’évacuation est centré sur un plan d’évacuation parallèle à un plan d’étalement de la poudre distant du plan d’évacuation ;
- l’écoulement gazeux de protection est centré sur un plan de protection parallèle à la fenêtre distant du plan de protection, le plan de protection étant avantageusement séparé de la fenêtre d’une distance inférieure ou égale à 30 mm ;
- la buse de soufflage est configurée pour souffler un débit de soufflage et la buse d’aspiration est configurée pour aspirer un débit d’aspiration, le débit de soufflage étant strictement supérieur au débit d’aspiration, un rapport du débit de soufflage sur le débit d’aspiration étant avantageusement supérieur ou égal à 1 ,3 et inférieur ou égal à 3,0 ;
- la buse de soufflage est configurée pour souffler un débit de soufflage à une vitesse supérieure ou égale à un mètre par seconde et à une pression supérieure à une pression moyenne dans l’enceinte ;
- la buse d’aspiration est configurée pour aspirer un débit d’aspiration à une vitesse inférieure ou égale à un demi-mètre par seconde, et à une pression inférieure à une pression moyenne dans l’enceinte ;
- un système de filtration configuré pour filtrer un fluide aspiré par la buse d’aspiration et pour alimenter la buse de soufflage avec le fluide filtré ;
- la fenêtre s’étend sur une première largeur dans une direction, la buse d’aspiration et la buse de soufflage sont configurées pour produire l’écoulement de protection sur une deuxième largeur dans la direction, la deuxième largeur étant supérieure ou égale à la première largeur ;
- la buse d’aspiration et la buse de soufflage sont configurées de sorte que l’écoulement gazeux de protection présente un débit uniforme sur la deuxième largeur, une différence relative de débit entre deux points de la deuxième largeur étant inférieure ou égale à 5% ;et
- la buse d’aspiration et la buse de soufflage sont configurées de sorte que l’écoulement gazeux de protection présente un débit qui augmente à mesure que l’on s’éloigne d’un centre de la fenêtre.
L’invention porte également sur un procédé de fabrication additive comprenant les étapes suivantes :
- production d’un écoulement gazeux d’évacuation contre de la poudre contenue dans une enceinte, - exposition de la poudre à un faisceau laser produit par une source laser le faisceau traversant une fenêtre de l’enceinte,
- production d’un écoulement gazeux de protection dans l’enceinte contre la fenêtre, l’écoulement étant produit par une buse de soufflage et une buse d’aspiration.
Un tel procédé est avantageusement et optionnellement complété par
- la buse de soufflage souffle un débit de soufflage et la buse d’aspiration aspire un débit d’aspiration, le débit de soufflage étant strictement supérieur au débit d’aspiration, un rapport du débit de soufflage sur le débit d’aspiration étant avantageusement supérieur ou égale à 1 ,3 et inférieur ou égal à 3,0, de manière préférée la buse de soufflage souffle le débit de soufflage à une vitesse de soufflage supérieure ou égale à un mètre par seconde, et à une pression supérieure à une pression moyenne dans l’enceinte, et de manière préférée la buse d’aspiration aspire un débit d’aspiration à une vitesse d’aspiration inférieure ou égale à un demi-mètre par seconde, et à une pression inférieure à une pression moyenne dans l’enceinte ;
- une étape de filtration d’un fluide aspiré par la buse d’aspiration, et une étape de soufflage du fluide filtré par la buse de soufflage ;
- la fenêtre s’étend sur une première largeur dans une direction, l’écoulement gazeux de protection présentant un débit uniforme sur une deuxième largeur dans la direction, la deuxième largeur étant supérieure ou égale à la première largeur, une différence relative de débit entre deux points de la troisième largeur étant inférieure ou égale à 5% ; et
- la fenêtre s’étend sur une première largeur dans une direction, l’écoulement gazeux de protection présentant un débit sur une deuxième largeur dans la direction, la deuxième largeur étant supérieure ou égale à la première largeur, le débit augmentant à mesure que l’on s’éloigne d’un centre de la fenêtre.
DESCRIPTION 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 dessins annexés sur lesquels :
- les figures 1 et 2 sont des représentations schématiques d’un dispositif de fabrication additive selon un mode de réalisation de l’invention. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
Figure imgf000006_0001
En référence aux figures 1 et 2, un dispositif 20 de fabrication additive comprend une enceinte 7 configurée pour contenir de la poudre 6 de fabrication additive. L’enceinte 7 est une enceinte étanche dans laquelle un environnement gazeux est contrôlé. En particulier, l’environnement gazeux peut être composé d’un gaz inerte. De cette manière l’environnement gazeux au contact de la poudre 6 n’altère pas la poudre 6.
La poudre 6 est composée d’un matériau pulvérulent (poudre métallique, poudre de céramique, etc...) destiné à être consolidé couche par couche, par une fusion sélective totale ou partielle. La poudre 6 peut être étalée selon un plan d’étalement 17 qui est, de manière préférée, horizontal et situé dans une partie basse de l’enceinte 7.
En référence aux figures 1 et 2, le plan horizontal correspond au plan défini par les axes x et y. La direction verticale est donnée par l’axe z qui est orienté vers le haut dans ces figures.
La fusion est réalisée avec une source de puissance qui est ici une source laser 1 configurée pour produire un faisceau laser et exposer la poudre 6 au faisceau laser à travers une fenêtre 2 de l’enceinte 7. La source laser permet de consolider sélectivement des zones de la poudre exposées au faisceau laser. La source laser 1 , comprise dans le dispositif 20 de fabrication additive, se situe en dehors de l’enceinte 7 et en regard d’une fenêtre 2 située sur une des parois de l’enceinte 7. La source laser 1 peut émettre un faisceau laser 4 ou plusieurs sources laser peuvent émettre plusieurs faisceaux laser de manière simultanée.
La fenêtre 2 est transparente à la longueur d’onde du faisceau laser 4. De cette manière, pas ou peu d’énergie du faisceau laser 4 est perdue à la traversée de la fenêtre 2.
La fenêtre 2 est de manière préférée de forme rectangulaire, horizontale et située dans la partie haute de l’enceinte 7 en regard de la poudre 6.
L’enceinte 7 est configurée pour produire un écoulement gazeux 15 d’évacuation contre la poudre 6. Cet écoulement gazeux est destiné à évacuer des fumées de lasage produites lors de la fusion de la poudre. Par exemple, l’écoulement d’évacuation 15 est un flux laminaire de gaz inerte généré à l’intérieur de l’enceinte 7 contre la poudre 6. En particulier, l’écoulement d’évacuation 15 s’écoule au-dessus de la poudre 6 et présente un débit suffisamment fort pour emporter des fumées de lasage produites lors de la fusion de la poudre et suffisamment faible pour ne pas déplacer la poudre 6. L’écoulement gazeux 15 présente par exemple une épaisseur de 5 mm de haut au-dessus de la poudre à une vitesse de 1 à 2 mètres par seconde. Deux buses 13 et 14, placées à l’intérieur de l’enceinte, peuvent par exemple être utilisées pour produire l’écoulement gazeux 15.
De manière avantageuse, l’écoulement gazeux d’évacuation 15 est centré sur un plan d’évacuation Pe parallèle à un plan d’étalement 17 de la poudre. Lorsque le plan d’étalement 17 est horizontal, le plan d’évacuation Pe est également horizontal.
Le plan d’étalement 17 est distant du plan d’évacuation Pe. L’écoulement d’évacuation 15 s’étend dans une direction orthogonale au plan d’évacuation Pe de sorte que le débit maximum de l’écoulement est atteint dans le plan d’évacuation ou au moins dans une zone entourant le plan d’évacuation Pe. A mesure que l’on s’éloigne du plan d’évacuation Pe selon la direction orthogonale, le débit de l’écoulement d’évacuation 15 diminue. La distance séparant le plan d’étalement 17 et le plan d’évacuation Pe est avantageusement inférieure ou égale à 4 millimètres. La distance peut être comprise entre 1 et 4 millimètres et plus avantageusement entre 2 et 3 millimètres.
Le dispositif 20 de fabrication additive comprend en outre une buse de soufflage 3 et une buse d’aspiration 8 configurées pour produire un écoulement gazeux de protection 18 dans l’enceinte 7 contre la fenêtre 2.
La buse de soufflage 3 est comprise ici comme un dispositif qui souffle un gaz comme par exemple un gaz inerte. Par exemple, la buse de soufflage 3 peut être reliée via une nourrice de soufflage 5 à un ventilateur de soufflage 10.
La buse d’aspiration 8 est comprise ici comme un dispositif qui aspire un gaz comme par exemple un gaz inerte. Par exemple, la buse d’aspiration 8 peut être reliée via une nourrice d’aspiration 9 à un ventilateur d’aspiration 11.
La direction principale d’écoulement gazeux de protection 18 est dirigée de la buse de soufflage 3 vers la buse d’aspiration 8. L’écoulement gazeux de protection 18 est de manière préféré un flux laminaire de gaz inerte. La buse de soufflage 3 se trouve à l’intérieur de l’enceinte d’un côté de la fenêtre, et la buse d’aspiration 8 se trouve à l’intérieur de l’enceinte de l’autre côté de la fenêtre, de sorte que les deux buses sont à l’intérieur de l’enceinte 7 et en regard l’une de l’autre.
Entre ces deux buses, l’écoulement gazeux de protection 18 s’écoule contre la fenêtre à l’intérieur de l’enceinte 7.
Par rapport à l’art antérieur, l’utilisation de la buse de soufflage 3 et de la buse d’aspiration 8 permet de contrôler plus facilement les caractéristiques de l’écoulement gazeux de protection, et on peut protéger plus efficacement la fenêtre des fumées de lasage. En particulier, il est possible de produire un écoulement gazeux laminaire capable de protéger des fenêtres de taille plus importante que dans l’art antérieur. Il est aussi possible de protéger la fenêtre avec un flux d’un débit inférieur à un débit de perturbation. Le débit de perturbation est un débit à partir duquel l’écoulement de protection perturbe la circulation des gaz dans l’environnement gazeux de l’enceinte 7, comme par exemple la diffusion des fumées de lasage dans l’enceinte 7 ou l’écoulement d’évacuation 15 qui s’écoule contre la poudre 6.
De manière avantageuse, l’écoulement gazeux de protection 18 est centré sur un plan de protection Pp parallèle à la fenêtre 2. Lorsque la fenêtre 2 est horizontale, le plan protection Pp est également horizontal, la buse de soufflage 3 et la buse d’aspiration 8 sont séparées par une distance horizontale, par exemple selon l’axe x.
La fenêtre 2 est séparée du plan de protection Pp. L’écoulement de protection 18 s’étend dans une direction orthogonale au plan de protection Pp de sorte que le débit maximum de l’écoulement est atteint dans le plan de protection Pp ou au moins dans une zone entourant le plan de protection Pp. A mesure que l’on s’éloigne du plan de protection Pp selon la direction orthogonale, le débit de l’écoulement de protection Pp diminue. La distance séparant le plan de protection Pp et la fenêtre 2 est avantageusement inférieure ou égale à 30 millimètres. La distance peut être comprise entre 5 et 25 millimètres et plus avantageusement entre 7 et 15 millimètres. Plus on choisit de placer les buses 3, 8 proches de la fenêtre 2, et plus il est facile d’obtenir un flux laminaire de l’écoulement de protection 18 : des débits de l’écoulement de protection plus faibles permettent d’obtenir un flux laminaire de l’écoulement de protection 18. On peut ainsi protéger la fenêtre des fumées de lasage avec des débits encore plus éloignés du débit de perturbation.
La buse de soufflage 3 est configurée pour souffler un débit de soufflage ds et la buse d’aspiration 8 est configurée pour aspirer un débit d’aspiration da. Le débit de soufflage ds est avantageusement choisi strictement supérieur au débit d’aspiration da. Cela permet d’éviter que la buse d’aspiration n’aspire des fumées de lasage issues du procédé de fusion laser. Dans cette situation, seule une partie du flux soufflé par la buse de soufflage est aspirée par la buse d’aspiration. Une partie du flux soufflé s’écarte de la zone et notamment de la fenêtre. Il y a donc une composante de l’écoulement de protection 18 qui repousse les fumées de lasage plus loin de la fenêtre.
Un autre système de circulation de fluide dans l’enceinte 7 peut aspirer de l’air dans l’enceinte de sorte que la partie du flux soufflé par la buse de soufflage qui n’est pas aspirée par la buse d’aspiration ne perturbe pas la pression moyenne à l’intérieur de l’enceinte et plus généralement la circulation des gaz dans l’enceinte.
Lorsque le débit de soufflage ds est choisi supérieur au débit d’aspiration da, on choisir un rapport ds/da du débit de soufflage sur le débit d’aspiration avantageusement supérieur ou égal à 1 ,3 et inférieur ou égal à 3,0. Le rapport peut notamment être ajusté en fonction de la géométrie de la fenêtre et de la longueur séparant la buse de soufflage 3 et la buse d’aspiration 8 : si cette longueur augmente, on peut choisir un rapport ds/da plus faible.
En option concernant la buse de soufflage, le fluide soufflé par la buse de soufflage peut être soufflé à une vitesse de soufflage supérieure ou égale à un mètre par seconde et à une pression supérieure à une pression moyenne dans l’enceinte. A cet effet, la buse de soufflage 3 peut être connectée à la nourrice 5 de soufflage dont la pression est supérieure à la pression régnant dans l’enceinte 7 et permettant la vitesse de soufflage supérieure ou égale à 1 m/s.
En option concernant la buse d’aspiration, le fluide aspiré par la buse d’aspiration peut être aspiré à une vitesse d’aspiration inférieure ou égale à un demi-mètre par seconde et à une pression inférieure à une pression moyenne dans l’enceinte. A cet effet, la buse d’aspiration 8 peut être connectée à la nourrice 9 d’aspiration dont la pression est inférieure à la pression régnant dans l’enceinte 7 et permettant la vitesse d’aspiration inférieure ou égale à 0,5 m/s.
Dans un mode de réalisation, le dispositif 20 comprend un système de filtration 12. Le système de filtration 12 est configuré pour filtrer le fluide aspiré par la buse d’aspiration et pour alimenter la buse de soufflage avec le fluide filtré. Autrement dit, le système de filtration 12 permet de réaliser une boucle de circulation du gaz de l’écoulement de protection 18. Le gaz aspiré par la buse d’aspiration 8 est, une fois filtré, remis en circulation vers la buse de soufflage 3 qui le resouffle contre la fenêtre 2.
Pour réaliser ce mode de réalisation, on peut utiliser :
- le ventilateur de soufflage 10 qui, comme présenté précédemment, est connecté fluidiquement à la buse de soufflage 3 via la nourrice de soufflage 5 et
- le ventilateur d’aspiration 11 qui, comme présenté précédemment, est connecté fluidiquement à la buse d’aspiration 8 via la nourrice d’aspiration 9.
On peut dans ce cas connecter fluidiquement le ventilateur de soufflage
10 à une sortie du système de filtration 12 et le ventilateur d’aspiration
11 à une entrée du système de filtration 12.
Un ventilateur principal 21 peut également être ajouté afin d’assurer un débit minimum dans la boucle de circulation du gaz de l’écoulement de protection 18. Par exemple, le ventilateur principal est connecté fluidiquement à la sortie du système de filtration 12. Selon une configuration illustrée en figure 1, le système de filtration 12 peut également être configuré pour filtrer le fluide de l'écoulement gazeux 15 d’évacuation qui s’écoule contre la poudre 6. A cette fin, les deux buses 13 et 14 qui produisent l’écoulement gazeux 15 d’évacuation sont alors reliées fluidiquement au système de filtration 12. L’une des buses 13 et 14 est reliée fluidiquement à l’entrée du système de filtration 12, et l’autre des buses 13 et 14 est reliée fluidiquement à la sortie du système de filtration 12. Si le système comprend un ventilateur principal 21 connecté fluidiquement à la sortie du système de filtration 12, la sortie du ventilateur principal 21 peut être connectée fluidiquement d’une part à la buse de soufflage 3 via la nourrice de soufflage et d’autre part à l’une des buses 13 et 14 qui produisent l’écoulement gazeux 15 d’évacuation.
La fenêtre 2 peut s’étendre sur une première largeur dans une direction, la buse d’aspiration et la buse de soufflage sont configurées pour produire un écoulement de protection sur une deuxième largeur dans la direction, la deuxième largeur étant supérieure ou égale à la première largeur.
La direction mentionnée ci-avant peut être qualifiée de direction transverse, c’est à dire orthogonale à la direction principale de l’écoulement de protection. La direction principale d’écoulement est la direction selon laquelle la buse de soufflage 3 et la buse d’aspiration 8 sont en regard l’une de l’autre.
De manière préférée, la fenêtre 2 est rectangulaire et la direction transverse et la direction principale d’écoulement correspondent aux directions des côtés du rectangle formé par la fenêtre.
Lorsque la fenêtre 2 est horizontale, la direction transverse est une direction horizontale. Si la buse de soufflage 3 et la buse d’aspiration 8 sont séparées par une distance horizontale selon l’axe x, alors la direction transverse est parallèle à l’axe y, comme représenté en figure 2.
Pour que la deuxième largeur selon la direction soit supérieure ou égale à la première largeur, on peut par exemple choisir une buse d’aspiration et une buse de soufflage qui s’étendent dans la direction transverse selon une troisième largeur supérieure à la première largeur de la fenêtre.
Dans une première variante, le débit de l’écoulement gazeux de protection est uniforme sur la deuxième largeur. Autrement dit, lorsque l’on choisit un segment dirigé selon la direction transverse qui traverse l’écoulement gazeux de protection, le débit en chaque point de ce segment reste constant ou sensiblement constant. On entend ici par constant ou sensiblement constant une différence relative de débit entre deux points de la deuxième largeur inférieure ou égale à 5%.
Dans une deuxième variante, le débit de l’écoulement gazeux de protection est variable sur la deuxième largeur et plus précisément le débit augmente à mesure que l’on s’éloigne d’un centre de la fenêtre. Autrement dit, lorsque l’on choisit un segment dirigé selon la direction transverse qui traverse l’écoulement gazeux de protection, le débit en chaque point de ce segment varie le long du segment. Le débit est minimum en un point central du segment qui correspond au centre de la fenêtre. Le débit augmente de part et d’autre de ce point central. On entend ici par centre de la fenêtre, une direction centrale de la fenêtre orientée selon la direction principale d’écoulement et orthogonale à la direction transverse. La direction centrale passe par le centre de la fenêtre. Par exemple, et en rapport avec la figure 2, lorsque la fenêtre 2 est rectangulaire, la direction centrale De passe par le centre du rectangle et est parallèle à deux des côtés du rectangle : c’est l’un des axes de symétrie du rectangle.
Procédé de fabrication additive
Un dispositif de fabrication additive 20 comme on vient de le présenter permet de mettre en oeuvre un procédé de fabrication additive comprenant les étapes suivantes.
Au cours d’une première étape, on produit un écoulement gazeux d’évacuation 15 contre la poudre 6 contenue dans l’enceinte 7. Cet écoulement est destiné à évacuer les fumées de lasage produites lors de la fusion de la poudre 6.
Au cours d’une deuxième étape, on expose la poudre 6 à un faisceau laser produit par la source laser 1 à travers la fenêtre 2 de l’enceinte 7. Cette étape permet d’apporter à la poudre 6 l’énergie suffisante pour en provoquer la consolidation. Des fumées de lasage peuvent être émises par la poudre 6 et celles-ci sont alors emportées par l’écoulement gazeux d’évacuation 15. L’écoulement d’évacuation 15 ne permet toutefois pas de retirer hors de l’enceinte toutes les fumées de lasage.
Au cours d’une troisième étape, on produit un écoulement gazeux de protection 18 dans l’enceinte 7 contre la fenêtre 2, l’écoulement étant produit par la buse de soufflage 3 et la buse d’aspiration 8. L’écoulement de protection 18 s’écoule contre la fenêtre 2 et permet de tenir à distance de la fenêtre 2 les fumées de lasage qui ne seraient pas retirées de l’enceinte par l’écoulement gazeux de protection.
Les termes de première étape, deuxième étape et troisième étape sont utilisés ici pour décrire des actions réalisées au cours du procédé, mais sans se limiter à un ordre chronologique particulier entre elles. En particulier ces étapes peuvent être réalisées en même temps.
En option, la buse de soufflage 3 souffle un débit de soufflage ds et la buse d’aspiration 8 aspire un débit d’aspiration da, le débit de soufflage étant strictement supérieur au débit d’aspiration. Un rapport ds/da du débit de soufflage sur le débit d’aspiration peut être avantageusement choisi supérieur ou égale à 1 ,3 et inférieur ou égal à 3,0.
De manière préférée la buse de soufflage 3 souffle le débit de soufflage à une vitesse de soufflage supérieure ou égale à un mètre par seconde, et à une pression supérieure à une pression moyenne dans l’enceinte.
De manière préférée la buse d’aspiration 8 aspire un débit d’aspiration à une vitesse d’aspiration inférieure ou égale à un demi-mètre par seconde, et à une pression inférieure à une pression moyenne dans l’enceinte
Dans un mode de réalisation, le procédé comprend une étape de filtration d’un fluide aspiré par la buse d’aspiration 8, et une étape de soufflage du fluide filtré par la buse de soufflage 3. Le dispositif 20 comprend alors le système de filtration 12 tel que décrit précédemment.
Dans une première variante, telle que décrite précédemment, la fenêtre 2 s’étend sur une première largeur dans une direction, l’écoulement gazeux présentant un débit uniforme sur une deuxième largeur dans la direction, la deuxième largeur étant supérieure ou égale à la première largeur, une différence relative de débit entre deux points de la troisième largeur étant inférieure ou égale à 5%.
Dans une deuxième variante, telle que décrite précédemment, la fenêtre s’étend sur une première largeur dans une direction, l’écoulement gazeux présentant un débit sur une deuxième largeur dans la direction, la deuxième largeur étant supérieure ou égale à la première largeur, le débit augmentant à mesure que l’on s’éloigne d’un centre de la fenêtre.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Dispositif (20) de fabrication additive comprenant :
- une enceinte (7) configurée pour contenir de la poudre (6) et pour produire un écoulement gazeux d’évacuation (15) contre la poudre (6),
- une source laser (1 ) configurée pour produire un faisceau laser et exposer la poudre (6) au faisceau laser à travers une fenêtre (2) de l’enceinte (7),
- une buse de soufflage (3) et une buse d’aspiration (8) configurées pour produire un écoulement gazeux de protection (18) dans l’enceinte (7) contre la fenêtre (2), la buse de soufflage (3) étant configurée pour souffler un débit de soufflage et la buse d’aspiration (8) est configurée pour aspirer un débit d’aspiration, le débit de soufflage étant strictement supérieur au débit d’aspiration.
2. Dispositif selon la revendication 1 dans lequel l’écoulement gazeux d’évacuation (15) est centré sur un plan d’évacuation parallèle à un plan d’étalement (17) de la poudre (6) distant du plan d’évacuation (Pe).
3. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 2 dans lequel l’écoulement gazeux de protection (18) est centré sur un plan de protection (Pp) parallèle à la fenêtre (2) distant du plan de protection (Pp), le plan de protection (Pp) étant avantageusement séparé de la fenêtre (2) d’une distance inférieure ou égale à 30 mm.
4. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 3 dans lequel un rapport du débit de soufflage sur le débit d’aspiration est supérieur ou égal à 1 ,3 et inférieur ou égal à 3,0.
5. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 4 dans lequel la buse de soufflage (3) est configurée pour souffler un débit de soufflage
- à une vitesse supérieure ou égale à un mètre par seconde et,
- à une pression supérieure à une pression moyenne dans l’enceinte (7).
6. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 5 dans lequel la buse d’aspiration (8) est configurée pour aspirer un débit d’aspiration
- à une vitesse inférieure ou égale à un demi-mètre par seconde, et
- à une pression inférieure à une pression moyenne dans l’enceinte (7).
7. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 6 comprenant un système de filtration (12) configuré pour filtrer un fluide aspiré par la buse d’aspiration (8) et pour alimenter la buse de soufflage (3) avec le fluide filtré.
8. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 7 dans lequel la fenêtre (2) s’étend sur une première largeur dans une direction (y), la buse d’aspiration (3) et la buse de soufflage (8) sont configurées pour produire l’écoulement de protection (18) sur une deuxième largeur dans la direction (y), la deuxième largeur étant supérieure ou égale à la première largeur.
9. Dispositif selon la revendication 8 dans lequel la buse d’aspiration (3) et la buse de soufflage (8) sont configurées de sorte que l’écoulement gazeux de protection (18) présente un débit uniforme sur la deuxième largeur, une différence relative de débit entre deux points de la deuxième largeur étant inférieure ou égale à 5%.
10. Dispositif selon la revendication 8 dans lequel la buse d’aspiration (3) et la buse de soufflage (8) sont configurées de sorte que l’écoulement gazeux de protection (18) présente un débit qui augmente à mesure que l’on s’éloigne d’un centre de la fenêtre (2).
11 . Procédé de fabrication additive comprenant les étapes suivantes :
- production d’un écoulement gazeux d’évacuation (15) contre de la poudre (6) contenue dans une enceinte (7),
- exposition de la poudre (6) à un faisceau laser produit par une source laser (1 ) le faisceau traversant une fenêtre (2) de l’enceinte (7),
- production d’un écoulement gazeux de protection (18) dans l’enceinte (7) contre la fenêtre (2), l’écoulement étant produit par une buse de soufflage (3) et une buse d’aspiration (8), la buse de soufflage (3) soufflant un débit de soufflage et la buse d’aspiration (8) aspirant un débit d’aspiration, le débit de soufflage étant strictement supérieur au débit d’aspiration.
12. Procédé selon la revendication 11 dans lequel un rapport du débit de soufflage sur le débit d’aspiration est supérieur ou égale à 1 ,3 et inférieur ou égal à 3,0, de manière préférée la buse de soufflage (3) souffle le débit de soufflage à une vitesse de soufflage supérieure ou égale à un mètre par seconde, et à une pression supérieure à une pression moyenne dans l’enceinte (7), et de manière préférée la buse d’aspiration (8) aspire un débit d’aspiration à une vitesse d’aspiration inférieure ou égale à un demi- mètre par seconde, et à une pression inférieure à une pression moyenne dans l’enceinte (7).
13. Procédé selon l’une quelconque des revendications 11 à 12 comprenant une étape de filtration d’un fluide aspiré par la buse d’aspiration (8), et une étape de soufflage du fluide filtré par la buse de soufflage (3).
14. Procédé selon l’une quelconque des revendications 11 à 13 dans lequel la fenêtre (2) s’étend sur une première largeur dans une direction (y), l’écoulement gazeux de protection (18) présentant un débit uniforme sur une deuxième largeur dans la direction (y), la deuxième largeur étant supérieure ou égale à la première largeur, une différence relative de débit entre deux points de la troisième largeur étant inférieure ou égale à 5%.
15. Procédé selon l’une quelconque des revendications 11 à 13 dans lequel la fenêtre (2) s’étend sur une première largeur dans une direction (y), l’écoulement gazeux de protection (18) présentant un débit sur une deuxième largeur dans la direction (y), la deuxième largeur étant supérieure ou égale à la première largeur, le débit augmentant à mesure que l’on s’éloigne d’un centre de la fenêtre (2).
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