"PROCEDE ELECTROCHIMIQUE DE MISE EN FORME D'OBJETS AINSI QUEDE MATERIAUX SEMI-FINIS A PARTIR DE MATIERES EN SUSPENSION"
Procédé électrochimique de mise en forme d'objets ainsi
que de matériaux semi-finis à partir de matières en suspension
La présente invention est un perfectionnement au brevet
belge no. 873 378 du 10 janvier 1979 relatif à un procédé électrochimique permettant à la fois le coulage, le moulage,
le profilage, l'usinage et le traitement de surface de pièces
à partir de matières premières sous forme de suspensoi'des chargés et donnant lieu à des électro-dépôts conducteurs par réaction d'électrode rigoureusement contrôlée. Le brevet de perfectionnement no. 880 993 du 28 décembre 1979 est plus particulièrement relatif à des mises en �uvre complémentaires de la technique des électro-dépôts de matières céramisables, vitrifiables, frittables ou polymérisables sur des supports ou moules métalliques, ainsi qu'à l'utilisation d'échangeurs d'ions comme surface de coulage électrochimique et notamment à
son application particulière à la fabrication de verre plat.
Le présent perfectionnement concerne la mise à forme directe par ce procédé général de carreaux céramiques individuels
ou d'un ensemble de carreaux céramiques minces sans moule
ni estampage ultérieur d'un ruban de pâte, cet estampage
<EMI ID=1.1> carreaux sont fabriqués en cru, avec des contours rectilignes ou à découpes variées avec bords spontanément arrondis. Ils peuvent être réalisés plats ou présenter des profils dans l'espace. Leur surface peut être lisse, rugueuse ou avec une impression en léger relief. De plus,
la technique permet d'y incorporer des textes, dessins ou photographies avec des détails même très fins, ceci en relief (ou en creux), ces motifs étant réellement incrustés dans les carreaux céramiques; il peut s'agir également de la fabrication de substrats électroniques.
Il s'agit de performances réellement nouvelles vis-à-vis des procédés antérieurs.
Avant de détailler ces nouveaux principes originaux, rappeIons que les techniques classiques des fabrications céramiques conduisant à des produits similaires utilisent en ordre principal les techniques de pressage, d'étirage, de coulage entre deux plâtres.
Le pressage nécessite la fabrication très onéreuse de moules en métaux très spéciaux et coûteux ne permettant que peu la diversification des formes et des modèles, le prix
de ces moules exigeant la production de grandes séries de modèles répétitifs. De plus, il est pratiquement impossible de réaliser par cette technique des carreaux minces (par exemple de 3 à 5 mm d'épaisseur) de grands formats tels que 60 x 60 cm par exemple. La réalisation de bords arrondis exige l'usinage particulier des moules.
L'étirage à plat est utilisé, mais il nécessite un estampage ultérieur pour mettre à forme sans possibilité d'arrondi des bords; de plus, les grands formats minces sont peu réalisables par cette seconde technique.
Le coulage en moule de plâtre (entre deux parois) n'est pas utilisable pour des carreaux; pour de grands formats minces, le remplissage des moules avec la barbotine présente des problèmes et de plus, les moules de plâtre très lourds sont fragiles et demandent un séchage contrôlé '=après coulage.
Pour des applications en électrotechnique, les substrats électroniques sont réalisés par la technique dite "Doctor blade" permettant la fabrication de supports d'alumine minces; mais cette technique n'est pas adaptable à la fabrication d'éléments mis à forme individuellement.
Enfin, si le pressage permet d'imprimer un motif dans les carreaux, le prix de la fabrication des moules devient de plus en plus prohibitif si on s'adresse à des motifs compliqués, variés et à détails très fins. Les matières premières utilisées pour le pressage sont par ailleurs mal adaptées pour la reproduction de tels motifs.
Par étirage, cette impression directe de motifs est vraiment irréalisable. Avec des moules de plâtre, le coulage des plaques avec motifs de décoration très fins est très délicat, la fabrication des moules eux-mêmes présentant des problèmes.
Enfin, la transposition de dessins,- textes ou photographies sur céramiques est réalisée classiquement par des techniques de collage de décalcomanies ou par enduit d'une gélatine photosensible sur biscuit. Ces procédés ne réalisent pas vraiment une incrustation des motifs et pour les photographies, il ne s'agit que d'un placage réalisé avec des encres céramiques.
Quant à la technique de fabrication de céramique en pâte molle par électrophorèse avec le système du "double dépôt", les machines décrites dans la littérature brevets correspondante ne produisent qu'un ruban de pâte à estamper ultérieurement sans conditionnement de bords, ni relief, ni incorporation de motifs de décoration.
La nouvelle technique faisant l'objet de la présente invention consiste à utiliser une plaque métallique plane ou profilée constituée de préférence de zinc, de galvanisé, de cuivre,
de fer, d'aluminium, de laiton, d'acier inoxydable, de magnésium, de nickel, formant généralement l'anode de la cellule d'électrolyse qui permet l'électrodéposition des matières premières en suspension.
Le contour des carreaux est dessiné sur ces plaques à l'aide d'un trait de peinture isolante ou de ruban auto-adhésif isolant dont la largeur préfigure les joints qui subsisteront entre les carreaux cuits lors de leur placement.
Cette technique consiste donc à réaliser un masquage sélectif des anodes réalisant une isolation électrique locale et par conséquent une "réserve" où aucun dépôt ne se fera lors de l'électrolyse. Ce masquage sélectif peut aussi être réalisé sur les membranes échangeuses d'ions ou semi-perméables.
Les pièces de céramique électrodéposées aux endroits non isolés se développent jusqu'aux contours isolés. Aux limites isolées, la matière électrodéposée prend un arrondi spontané conformément à la distribution des lignes de courant électrique aux frontières entre zones conductrices et isolantes.
Il est possible, par les moyens utilisés classiquement en galvanoplastie, d'exploiter l'effet de bord soit pour réaliser volontairement une légère surépaisseur sur le pourtour des carreaux ou pour atténuer cet effet.
Afin de mieux comprendre l'invention, on la décrit à titre exemplatif et non limitatif par rapport à des dessins qui représentent :
à la figure la, un carreau avec bord en surépaisseur;
à la figure lb, deux carreaux côte à côte sans effet de surépaisseur;
à la figure 2a, une plaque préparée pour former de petits carreaux réguliers;
à la figure 2b, une plaque préparée pour former des carreaux réguliers mais de plus grands formats qu'à la figure 2a;
à la figure 2c, un ensemble de plaques préparées pour former un ensemble de carreaux réalisant un motif type "vitrail"; à la figure 2d, une plaque préparée pour des carreaux type "puzzle" dont certains éléments présentent de réels emboîtements;
à la figure 3a, un carreau galbé;
à la figure 3b, un carreau en équerre;
à la figure 3c, un carreau en cornière ;
aux figures 3d et 3d', des carreaux en coins;
à la figure 3e, deux carreaux de claustra;
à la figure 4, une vue schématique d'un dispositif de fabri-cation continue pour la mise en oeuvre selon la présente invention.
Sur la figure la, où est représenté un carreau (4) avec bord en surépaisseur (3), la plaque métallique (1) est isolée en
(2 ).
<EMI ID=2.1>
En 2b, il s'agit de deux carreaux/formés côte à côte sans effet de surépaisseur, la plaque métallique (l) étant isolée en (2).
Selon le format des plaques qui peut aller, à titre d'exemple, de 10 x 10 cm jusqu'à 100 x 100 cm, il est possible de réaliser des ensembles (figures 2a à 2d) de carreaux (4a, 4b, 4c, ... ) aux contours variés comme représentés sur la figure 2a, où il s'agit d'une plaque (1 ) préparée pour fabriquer de petits carreaux réguliers type mosaïque. A la figure 2b, il s'agit d'une plaque utilisée pour des carreaux (4a, 4b, 4c, ... ) aux bords toujours rectilignes mais de plus grands formats. Individuellement, il est possible de réaliser des carreaux de format 75 x 75 cm d'épaisseur de 1 à 5 mm pour usage mural. Des épaisseurs jusqu'à 15 mm sont réalisables pour application au sol.
A la figure 2c, il s'agit, à titre purement exemplatif, de plaques préparées pour des ensembles de carreaux (4a, 4b, 4c, ... ) réalisant un motif type "vitrail" dont la forme et la dimension des éléments peut varier à l'infini.
A la figure 2d, la plaque (l) est préparée pour des carreaux
(4a, 4b, 4c, ... ) type "puzzle" dont certains éléments pré-sentent de réels emboîtements.
Il reste à noter que ces ensembles sont fabriqués en une seule opération, celle-ci demandant par exemple 3 minutes d'électrolyse.
Pour les motifs n'ayant ni axe ni centre de symétrie, la préparation de modèles droit et gauche peut s'avérer intéressante pour développer les motifs muraux ou de sols dans les deux dimensions avec possibilité de raccordement des joints entre les divers éléments des motifs.
La préparation des plaques (l) s'effectue très aisément et permet donc de rendre la technique très souple et de varier les modèles à très peu de frais, puisqu'il s'agit simplement de changer un dessin sur les plaques.
Si on utilise de la peinture isolante, celle-ci peut être posée avec un pinceau à main levée ou à l'aide d'un pochoir ou encore par la technique de la sérigraphie. Avec des rubans adhésifs de largeur bien calibrée, il est également possible de préparer des plaques très facilement et très rapidement.
Les plaques planes (1) étant utilisées pour fabriquer des carreaux plats, il est possible de fabriquer des structures dans l'espace en donnant des formes quelconques à la plaque soit par emboutissage, cintrage, pliage, soudure. La technique conduit dans ce cas à la fabrication de profilés, et par exemple, certaines formes réalisables telles que carreaux galbés (figure 3a), en équerre (figure 3b), en cornières (fi-
<EMI ID=3.1>
de tube droits ou coudés. les contours de ces structures étant toujours délimités par la
ou des membranes technique du masquage sélectif des tôles métalliques/à l'aide de peinture ou de rubans isolants.
Des carreaux avec surface rugueuse plus ou moins irrégulière imitant la pierre ponce ou la lave peuvent être obtenus sur des électrodes métallisées au pistolet ou au chalumeau à plasma. A titre d'exemple, la métallisation de supports métalliques ou non métalliques (matières plastiques organiques) au pistolet à zinc fondu convient très bien pour réaliser des électrodes convenant pour ce genre de carreau à surface rugueuse irrégulière.
Des "bas-reliefs" en céramique de 3 à 10 mm d'épaisseur peuvent ainsi être réalisés sur des tôles repoussées ou martelées en les divers métaux cités précédemment. Des supports moulés en matériaux polymères métallisés en surface
à l'aide d'une peinture conductrice (Zn, Cu, Ag, Ni) ou d'une métallisation par méthode chimique (exemples : cuivre, nickel, argent) permettent la reproduction par double moulage (négatif, positif) de bas-reliefs existants. Des plaques avec relief obtenues par électroformage en divers métaux sont également utiles pour cette production de bas-reliefs.
La gravure préalable des plaques métalliques soit mécaniquement soit par attaque acide (technique de l'eau forte ou de la photogravure sur zinc, cuivre, magnésium) permet la transposition sur la céramique de motifs en creux ou en relief très variés.
Par photogravure sur plaque métallique, c'est la plaque de photogravure elle-même qui sert d'électrode pour fabriquer
le carreau. Dans ces cas, c'est bien entendu la face du carreau contre l'électrode qui comporte la gravure. On reproduit ainsi aussi bien du texte que des dessins avec traits ou des photographies de paysages, de personnages,
de tableaux, etc... Dans ces derniers cas, les clichés reproduits par photogravures subissent l'opération de "tramage" avec des trames de toute espèce.
Les photographies sont reproduites sur la céramique avec
un relief correspondant à la. profondeur de gravure des plaques métalliques. Selon les cas, on prendra les clichés négatifs ou les diapositives pour l'insolation des plaques de photogravure.
Les photographies sont ainsi véritablement incrustées en relief dans la céramique, ceci avec des détails très fins.
Après cuisson, il est possible de révéler les photographies par encrage au rouleau avec des encres d'imprimerie ordinaire ou avec des encres céramiques ou émaux colorés.
Par sérigraphie, on peut travailler avec plusieurs encres ou émaux de couleurs différentes et reproduire ainsi des photographies en couleurs.
Des documents importants (reproduction de texte ou de toute oeuvre d'art) peuvent ainsi être conservés dans des formes résistant aux incendies.
Ces reproductions peuvent être effectuées sur les carreaux plats ou profilés; il suffit pour ce faire soit d'utiliser les pla-ques gravées comme électrode, soit d'incorporer les plaques gravées dans les électrodes de plus grand format pour réaliser un ensemble d'éléments céramiques dont tous ou certains seulement comporteront la reproduction d'un motif.
Des reliefs atténués peuvent être obtenus sur les carreaux du côté opposé à celui qui est en contact avec le métal. On utilise pour ce faire une propriété que nous avons découverte par l'étude fondamentale du mécanisme de l'électrodéposition de céramique, à savoir que la nature du métal de l'électrode influence la vitesse d'électrodéposition. Il est dès lors possible d'exploiter cette propriété pour obtenir du relief. Il suffit en effet de réaliser selon un dessin préétabli, un dépôt métallique à certains endroits de l'électrode. Si le métal apporté est de nature à accélérer la vitesse d'électrodéposition, à ces endroits il apparaîtra un relief sur la surface extérieure du dépôt. Si le métal superposé à l'électrode
est au contraire de nature à ralentir la vitesse d'électrodéposition, il apparaîtra en correspondance avec Ces endroits des creux sur la surface extérieure du carreau. A titre d'exemple, le cuivrage localisé sur plaque de zinc produira des creux dans la céramique. Inversement, sur plaque de cuivre, les dépôts de zinc localisés provoqueront des zones. en relief. Les couples Zn-Al, Cu-Al, Zn-Al ainsi que Fe-Zn sont exploitables pour réaliser ces reliefs atténués qui présentent le très grand avantage d'être obtenus sur des électrodes qui restent pratiquement planes. Les dépôts métalliques en surépaisseur sur les plaques se font en effet sous
<EMI ID=4.1>
Les plaques métalliques sont préparées par les techniques habituelles de la galvanoplastie après isolement des parties de la tôle de base qui ne sont pas à recouvrir par un dépôt d'un autre métal.
On peut aussi réaliser ces plaques bi- ou polymétalliques à l'aide de bain de dépôts chimiques sur support éventuellement non métallique.
A l'aide de carreaux plats aux contours variés et les éléments profilés, avec motifs gravés ou non, il est possible de constituer des "sets" de carreaux adaptables à toute forme de tables de cuisine, éviers encastrés, tablettes de fenêtre, éléments de cuisine intégrés, accessoires de salles de bains
(poignées de robinets, de portes, boutons, supports-savons, etc... ), de pieds de lavabos, de revêtements de tables de salon artistique.
La mise en �uvre de la présente invention peut se faire dans un dispositif de fabrication continue (figure 4). Ce schéma correspond plus particulièrement à un dispositif pour la fabrication de grands carreaux plats. Il peut être facilement adapté à la production des autres types de pièces décrits dans le présent texte, notamment pour la réalisation, en une seule opération, de panneaux en carreaux céramiques type mosai'que, vitraux ou puzzle à des dimensions pouvant aller
<EMI ID=5.1>
Sur cette figure 4, on a représenté en (5) la cellule d'électrolyse dont les dimensions peuvent être., à titre d'exemple, de 3 à 6 m de longueur, de 15 à 20 cm de largeur et de
<EMI ID=6.1> tribution de la barbotine d'alimentation; en (7) l'évacuation
de cette barbotine qui retourne à la cuve d'alimentation.
Les plaques (1) servant d'anodes sont transportées sur un convoyeur (8); à l'entrée dans la cellule, elles sont mises sous tension grâce au rail (9) et du contact glissant ou tournant dont chaque plaque est munie. La contre-électrode fixe constamment immergée dans le bain et servant de cathode
est située en (10). Après électrodéposition, les plaques chargées sont sorties de la cellule et passent au poste d'égouttage et de lavage à l'eau en (11).
En (12) se présentent les dalles de cuisson en matériau réfractaire poussées sur des rouleaux.
En (13) les plaques (1) chargées des carreaux crus (4), sont déposées sur ces dalles servant d'abord comme support pour recueillir les carreaux crus qui sont détachés ensuite des plaques électrodes après un temps à adapter à chaque type de pâte et aux conditions d'électrolyse.
Tandis que les plaques électrodes se dégagent en suivant le convoyeur, les carreaux libérés et posés sur les dalles réfractaires pénètrent dans le four tunnel à rouleaux en (14) servant à la fois pour le séchage et pour la cuisson. En (15) on récupère les carreaux cuits. En (16) les plaques subissent un nettoyage et un reconditionnement avant de retourner dans la cellule d'électrolyse.
L'émaillage non représenté à la figure 4 peut être incorporé dans la chaîne de fabrication. Il peut être effectué en cru (avant cuisson) soit par pulvérisation de barbotine d'émail
soit par la technique du rouleau encreur. Dans ce cas,
c'est la face du carreau côté électrode qui est le plus aisément émaillable. Avec un émail posé au pistolet, il est
possible d'émailler ainsi en une couleur les carreaux avec
gravure.
L'émaillage en bicuissbn sur biscuit (donc après le passage
au four de cuisson) sera mieux indiqué pour un émaillage
de l'autre face des carreaux ou pour l'émaillage à plusieurs
couleurs par les techniques décrites ci-dessus dans le brevet
ou encore pour la coloration et l'émaillage polychrome des pièces avec motifs divers en relief.
i
L'électrodéposition pouvant se faire en des temps compris par exemple entre 4 et 5 minutes pour les épaisseurs de -^ à 5 mm, c'est
surtout le séchage et la cuisson qui constituent l'étape lente
du procédé de fabrication des carreaux finis.
Si la capacité du four le permet, il est possible avec une
cellule de + 6 m de longueur, de fabriquer une plaque de
1 m x 1 m à la minute dans une chaîne avançant à la vitesse
de 1 m par minute. A ce rythme, une seule cellule pourrait
donc alimenter la chaîne de fabrication de carreaux à raison
<EMI ID=7.1>
La chaîne comprendrait une trentaine de plaques dont la fréquence de renouvellement dépend de la réserve de métal utile. S'il s'agit de zinc par exemple, il faut compter une consom-
<EMI ID=8.1>
de temps d'immersion). La diminution d'épaisseur des pla- <EMI ID=9.1>
ques dont 5 seulement sont immergées à la fois sur une durée de 6 x 24 heures.
Durant un tel cycle de 6 x 24 = 144 heures, on consomme-
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6 x 1200 = 7200 m2 de carreaux de 5 mm d'épaisseur (soit environ 90 tonnes de carreaux cuits) + 40 kg de zinc. La consommation d'énergie électrique strictement nécessaire pour l'électrodéposition reste négligeable; elle est au maximum de 7 kWh par tonne produite. Les tensions restent inférieures-
<EMI ID=11.1>
Il est certain qu'on pourrait placer plusieurs cellules d'électrolyse en parallèle pour augmenter la production si nécessaire.
L'invention n'est pas limitée aux différentes formes représentées et décrites ci-dessus et l'on ne sortirait pas de son cadre en y apportant des modifications.
Revendications
1. Procédé électrochimique selon les revendications des brevets belges 873378 et 880993, caractérisé en ce qu'il permet,
en une seule opération, l'électroformage direct tant de car-
raux uniques que par ensembles, aux contours variés et aux
bords spontanément arrondis, d'épaisseurs comprises entre
,4 et 15 mm et dont les formats par élément individuel peuvent s'inscrire dans des surfaces jusqu'à 750 x 750 mm,
voire 1000 x 1000 mm, les ensembles de carreaux étant du
type "mosai'ques", "vitraux", ou "puzzles", leur usage étant
mural ou pour le sol.les éléments individuels très minces en matériaux
l'électrotechnique. diélectrique pouvant servir comme substrats pour l'électronique ou