Procédé et dispositif de moulage d'une pièce
creuse par compactage d'une poudre.
La présente invention concerne le moulage par compactage multidirectionnel d'une pièce creuse, c'està-dire un objet non plan, de-forme plus ou moins complexe telle que par exemple un pot, une assiette, une bouteille ou une brique évidée à trous borgnes, à partir d'une poudre.
La poudre est de composition généralement quelconque, permettant le moulage. Elle possède ou non des propriétés plastiques. Elle est constituée de matières premières pures ou impures, en phase unique ou en mélanges. La poudre contient par exemple des métaux, des composés polymérisables, des matières minérales naturelles ou de synthèse telles que : argiles, schistes, roches, ciments, oxydes céramiques cristallisés ou amorphes.
La pièce ainsi moulée par compactage multidirectionnel présente une cohésion suffisante pour supporter des opérations complémentaires de fabrication. Ces opérations complémentaires visent par exemple à améliorer des qualités de l'objet telles que la cohésion, l'aspect et la porosité. Ainsi, la pièce compactée peut subir des opérations de cuisson, de frittage, de prise hydraulique, de séchage, de polymérisation, d'émaillage et analogues.
Il faut noter que l'invention s'applique particulièrement bien à la préparation en cru de pièces évidées en matières céramiques ou en terres cuites. Dans ce cas, l'objet moulé doit encore subir une cuisson adéquate pour atteindre les qualités recherchées.
Les dispositifs connus de moulage de pièces par compression de poudres sont très variés et utilisent tous un moule représentant la forme de l'objet, en négatif. On distingue deux procédés d'application de la pression :
- une méthode ancienne par déplacement d'un piston ou poinçon, et
- une méthode moderne par déplacement d'un fluide.
Le premier procédé, appelé pressage par poinçon, consiste à mettre la poudre en forme à l'intérieur d'une matrice métallique rigide supportée par le châssis de la presse. L'ouverture d'alimentation du moule est obturée par un poinçon qui est actionné par le piston de la presse. Par le déplacement du poinçon, la poudre est chassée dans l'empreinte de la matrice. Elle prend la forme désirée et subit un degré de compactage qui est fonction de la. charge appliquée.
Cette méthode de pressage est simple et bien adaptée pour la production, en grandes séries, de pièces pleines ou perforées. Elle ne convient pas à la réalisation d'objets comportant des creux profonds.
Ainsi, par exemple, pour réaliser un pot comportant un évidement, le poinçon se déplace d'une longueur identique pour compacter la paroi annulaire et le fond. Le mouvement des particules de poudre est unidirectionnel dans le sens de déplacement du piston. La hauteur initiale de remplissage est différente pour la paroi et pour le fond. Il en résulte que le degré de compactage n'est pas identique dans les différentes parties de l'objet. Ce manque d'homogénéité de la matière pressée provoque des défauts qui se révèlent surtout après séchage et après cuisson.
Une variante de cette méthode, le pressage par poinçons multiples, permet de réaliser des pièces en creux avec une meilleure uniformité de compactage. Le déplacement des particules reste cependant unidirectionnel, et le mécanisme d'actionnement des poinçons est compliqué.
Le second procédé, appelé pressage isostatique, est plus récent.
La poudre est placée dans un moule souple et déformable qui baigne lui-même dans un liquide ou un gaz. L'ensemble est disposé dans une enceinte hermétique. A l'aide d'une pompe, on exerce une pression sur le fluide d'immersion. Celui-ci la transmet uniformément sur toute la surface extérieure du moule. Celui-ci se déforme, se contracte et transmet la charge de pressage à la poudre de façon multidirectionnelle. Il y a compactage uniforme <EMI ID=1.1>
le .du moule.
Le pressage isostatique convient pour la production de pièces compliquées comportant des creux profonds. L'outillage est cependant plus complexe et il est difficile parfois de réaliser certaines pièces en séries.
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tages et inconvénients présentés par ces deux procédés.
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En résumé,.. ce 'qui.. distingue surtout le pressage
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pliquer la charge.
Dans le premier cas, l'énergie de pression est transmise à la poudre par déplacement du poinçon, uniquement dans le sens longitudinal. Cette énergie sert à vaincre les importants frottements internes de la poudre et la friction des particules sur les parois de la matrice.
Le poinçon et la poudre font office de transporteur de contrainte.
Dans la seconde méthode, c'est le fluide dans lequel baigne le moule souple qui sert de vecteur de pression.
Le frottement sur les parois est alors très réduit et la perte de charge dans ce fluide est nettement moindre que dans la poudre.
La loi de Pascal est le principe de base de la compression isostatique: une pression appliquée sur un liquide ou un gaz statique se propage également dans toutes les directions et exerce sur les régions atteintes des forces directement proportionnelles aux surfaces.
Selon un aspect de l'invention, on se propose de fournir un procédé de moulage d'une pièce creuse, par compactage d'une poudre dans un moule formé par la coopération d'un poinçon et d'une matrice rigides, dans lequel le creux de la pièce à compacter est formé par un noyau de moulage, caractérisé en ce qu'il consiste à :
- constituer au moins un élément auxiliaire du moule, venant au contact de la poudre, sous forme d'un organe élastiquement déformable, essentiellement incompressible,
- transformer par déformation dudit organe élastiquement déformable une partie de l'effort de compression longitudinal produit sur la poudre par le mouvement relatif entre le poinçon et la matrice rigides, en effort de compression transversal sur au moins une partie des parois de la.pièce à compacter.
Selon un autre aspect -de l'invention, on ,se propose de fournir un dispositif de moulage d'une pièce
creuse par compactage d'une poudre dans un moule formé par la coopération d'un poinçon et d'une matrice rigides,comprenant un noyau de moulage pour former le creux de la pièce à compacter, caractérisé en ce qu'il comprend :
- au moins un organe.élastiquement déformable venant au contact de la poudre et destiné à transformer, en se déformant, une partie de l'effort de compression longitudinal produit sur la poudre par le mouvement relatif entre le poinçon et la matrice en effort de compression transversal sur au moins une partie des parois de la pièce à compacter.
L'organe élastiquement déformable de l'invention assure un compactage quasi-isostatique de la poudre en se déformant élastiquement. La matière qui le constitue doit pour ce faire être peu compressible et avoir un coefficient de Poisson voisin de 0,5 pour assurer une bonne transformation des efforts.
Cet organe élastiquement déformable sera désigné ci-après par "répartiteur de contrainte", eu égard à sa fonction.
Ce répartiteur de contrainte doit présenter des formes initiales (avant pressage) et finale (à haute pression) bien définies en fonction des caractéristiques de l'objet à réaliser.
Pour éviter la détérioration de la pièce formée,
il ne doit pas provoquer de contraintes excessives à sa surface, pendant les phases de décompression et d'éjection.
Le répartiteur de contrainte est constitué par une ou plusieurs matières déformables bien choisies et il occupe dans lé moule une position également bien choisie.
Dans sa version simplifiée, le répartiteur de contrainte est constitué de matière élastomère (caoutchouc) et joue le rôle de noyau au sein de la matrice rigide. Dans cet exemple, le noyau a aussi pour fonction de créer le creux de l'objet désiré.
Il apparaît que le procédé de l'invention présente par rapport au pressage isostatique, l'avantage d'assurer un compactage multidirectionnel, sans nécessairement utiliser un fluide extérieur, vecteur de contrainte. Autrement dit, le procédé de l'invention est applicable à tous les types de presses et par exemple aux systèmes hydrauliques,
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Le procédé de l'invention n'exige donc pas nécessairement l'utilisation d'une enceinte hermétique et de pompes à haute pression.
D'autres aspects, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit et des dessins annexés, sur lesquels :
- la figure 1 A à C représente schématiquement les phases d'alimentation de la poudre, de compression et de décompression et d'éjection selon un mode de réalisation simplifié de l'invention,
- la figure 2 A à E représente schématiquement une variante du mode de réalisation de la figure 1,
- la figure 3 représente schématiquement un autre mode de réalisation du répartiteur de contrainte de l'invention,
- la figure 4 représente schématiquement un autre mode de réalisation du répartitueur de contrainte de l'invention,
- la figure 5 représente une variante du mode de réalisation de la figure 4,
- la figure 6 représente schématiquement un mode de réalisation adapté à la fabrication de pièces à ouverture étroite,
- la figure 7 A à D représente encore un autre mode de réalisation de l'invention.
Le mode de réalisation représenté à la figure 1 est spécialement adapté pour la production de pots coniques.
L'appareillage comprend les organes suivants :
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munie de deux ouvertures, opposées où. peuvent coulisser deux pistons :
- un piston ou poinçon inférieur éjecteur 2 et un piston ou poinçon compresseur 3,
- des trémies 4 facilitant l'alimentation en poudre par des orifices disposés latéralement au sommet de la chambre
- un dispositif répartiteur de contrainte 5 fixé sur la base inférieure du poinçon 3.
Ce répartiteur de contrainte sert, en même temps, de noyau de moulage et il est constitué par une masse pleine en matière élastomère (caoutchouc par exemple).
Pour faciliter la décompression et le démoulage, la forme conique a été choisie, en relief pour le répartiteur de contrainte et en creux pour l'empreinte de la matrice.
Au moment d'effectuer le remplissage, figure 1A, la chambre est fermée par les poinçons 2 et 3. Le répartiteur de contrainte (noyau) et la matrice délimitent un espace de remplissage fixé à l'avance.
Pendant l'alimentation, l'appareillage reste fixe, la poudre 7 s'écoule par les trémies 4 et vient occuper l'espace disponible entre matrice et noyau.
Dès que le remplissage est complet, le piston 3 est actionné par la presse, il descend dans la matrice, pousse le répartiteur de contrainte 5 dans la poudre en lui transmettant la pression appliquée. Simultanément (figure 1B), le répartiteur de contrainte 5 se contracte dans le sens longitudinal et se dilate dans le sens transversal, distribuant de façon multidirectionnelle, la pression unidirectionnelle qu'il reçoit. La poudre est compactée de façon quasi-isostatique et l'objet pressé 6 est mis en forme. A haute pression, le répartiteur de contrainte présente une forme différente de celle qu'il avait à basse pression : il s'est contracté longitudinalement et dilaté transversalement.
Lors de la remontée du poinçon 3, le répartiteur de contrainte reprend sa forme initiale et se sépare du pot formé. Ce dernier reste en état d'adhésion avec les parois de la matrice.
Pour démouler le pot et l'éjecter, on déplace le piston 2 vers le haut (figure 1C). Le cycle peut alors recommencer .
Ce système particulièrement simple est limité quant au choix de la forme à donner à l'objet et il est nécessaire de disposer d'une poudre de bonne fluidité pour obtenir une alimentation convenable et facile. Il faut noter ici l'avantage du procédé de l'invention qui, du fait que le noyau au repos est plus étroit qu'en position de compression, permet de grandes sections de passage pour l'écoulement de la poudre entre matrice et noyau (figure 1A).
Si la poudre utilisée manque de fluidité, on peut utiliser, pour faciliter l'alimentation, par exemple le système de la figure 2, où l'alimentation se fait par l'ouverture supérieure de la matrice.
La matrice 1 est ici flottante, tandis que le poinçon inférieur éjecteur 2 de la figure 1 est remplacé par deux éléments, à savoir le piston éjecteur annulaire 8, mobile, et le poinçon fixe 9 constituant le fond de la matrice.
Le cycle de pressage est semblable à celui de la figure 1. Cependant, la décompression à mi-cycle (figure 2C) n'est que partielle, le reliquat de contrainte étant libéré au cours de la phase d'éjection (figure 2D). La pièce moulée est ensuite évacuée latéralement (figure 2E), et le cycle peut recommencer.
Il y a lieu de noter que le piston d'éjection 8 est ici annulaire, et que la poudre doit avoir une cohésion suffisante après pressage, pour supporter la force d'éjection qui s'exerce sur une relativement faible surface.
Avec un répartiteur de contrainte simplifié, du type représenté jusqu'ici, et pour la réalisation de pièces
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saillies externes, on utilisera de manière connue une matrice à coquilles pour permettre le démoulage par ouverture de la matrice.
La qualité d'un répartiteur de contrainte est liée à son aptitude à produire un objet de formes, dimensions et aspect désirés et, en même temps, à distribuer correctement l'énergie de compactage. L'idéal est d'arriver à soumettre
à la même contrainte toutes les parties de la surface de la pièce.
La.technologie de fabrication peut être limitée à l'utilisation d'un répartiteur de contrainte simple, du type représenté en figures 1 et 2. Dans ce cas, la qualité de l'objet dépend, en priorité, de la forme initiale, avant déformation, et des propriétés physiques de l'élastomère utilisé pour le répartiteur de contrainte.
Si, au contraire, on vise à perfectionner cette méthode de pressage, il est nécessaire d'utiliser d'autres types de répartiteur de contrainte. Ceux-ci répondent par exemple à différents buts :
- améliorer la qualité d'uniformisation de la pression de compactage,
- simplifier l'outillage de pressage,
- obtenir une cadence de production plus élevée.
De tels dispositifs plus perfectionnés sont illustrés aux figures 3, 4 et 5.
La figure 3 représente schématiquement un mode de réalisation plus élaboré du répartiteur de contrainte de l'invention.
Comme on le voit à la figure 3, le répartiteur de contrainte, représenté en deux parties 5, 5', constitue en fait une matrice auxiliaire élastique disposée à l'intérieur de la matrice rigide, flottante,1, d'une forme correspondant à la forme en négatif de la pièce à compacter. Lors de la compression, sous l'action du poinçon 3, le répartiteur de contrainte se contracte en hauteur et se dilate en largeur, assurant ainsi le compactage multidirection-nel des faces internes et externes de la pièce.
Par rapport au mode de réalisation de la figure 2, le présent mode de réalisation offre l'avantage de permettre d'exercer une pression de compactage sur toutes les faces de la pièce et d'éliminer l'outillage d'éjection. En effet, comme on le comprendra, lors de la remontée du poinçon 3, la décompression du répartiteur de contrainte entrainera sa séparation complète de la pièce compactée qui reposera simplement sur la face supérieure du noyau de moulage. La pièce moulée peut donc être enlevée sans la soumettre à des contraintes, puisqu'elle est entièrement libre.
D'autre part, les deux parties 5, 5' du réparti- teur de contrainte peuvent être en des matières différentes, pour assurer le meilleur compactage de la poudre sur toutes les faces de la pièce.
Dans le mode de réalisation de la figure 4, le répartiteur de contrainte est en une pièce, et a également la forme d'une matrice élastique, de forme correspondant à la forme en négatif de la pièce à compacter, venant se loger à l'intérieur de la matrice rigide 1.
Ici, cependant, ce répartiteur de contrainte est constitué sous la forme d'un corps creux définissant une chambre 15 pour un fluide. Le fluide contenu dans la chambre 15 sera un fluide en substance incompressible, soit un liquide, et a pour but d'assurer, par rapport au mode de réalisation à répartiteur de contrainte plein, une meilleure uniformité des pressions de compactage sur les différentes faces de la pièce, le liquide transmettant intégralement la pression en tous sens.
En particulier, dans le cas du mode de réalisation de la figure 4, il n'est plus nécessaire de prévoir une matrice flottante, le liquide contenu dans la chambre 15 assurant un effet d'équilibrage des pressions comparable à celui obtenu par la disposition flottante de la matrice.
Dans la variante représentée en figure 5, le répartiteur de contrainte est constitué en deux parties, l'une solidaire de la. matrice -et 1;'autre du poinçon, tan-
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elles par une conduite flexible-16. Le résultat est semblable à celui obtenu avec le mode de réalisation de la figure 4.'
Dans le mode de réalisation de la figure 6, le répartiteur de contrainte 5 a la forme d'une enveloppe souple constituant noyau de moulage, et solidaire du poinçon
3. Cette enveloppe délimite une chambre 15-pour un fluide, et est en communication avec une conduite de fluide 16.
Ce mode de réalisation permet la fabrication de pièces creuses à ouverture étroite, comme des flacons, des vases, des bouteilles et analogues. Il fonctionne de la manière suivante.
Au moyen d'une pompe ou analogue, on admet du liquide dans la chambre 15, par la conduite 16. La communication de la chambre 15 avec l'extérieur est ensuite coupée, et le poinçon 3 est abaissé dans la matrice 1. La pression étant à tout moment uniforme dans la chambre 15, on obtient un compactage sous pression uniforme en tous points de la paroi de la cavité interne de la pièce à compacter.
Après compactage, le fluide est aspiré hors de la chambre 15, par la conduite 16, et l'enveloppe 5 aplatie peut être retirée par l'ouverture étroite de la pièce compactée. La pièce peut alors être éjectée de manière classique.
Le mode de réalisation de la figure 7 présente un perfectionnement du mode de réalisation de la figure 2, par remplacement du répartiteur de contrainte massif par un répartiteur de contrainte à chambre de fluide.
Le répartiteur de contrainte 5 comprend une chambre 15 communiquant par une conduite 16 avec une chambre
15' prévue dans le poinçon 3. Le poinçon 3 comprend d'autre part un poinçon auxiliaire 3' commandé en déplacement, par rapport au poinçon 3; par le liquide dans la chambre
15' .
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Comme on le comprendra; de cette- figure , lorsque
le poinçon 3 est abaissé, 'le poinçon 3' comprime la surface supérieure de la pièce 6 à compacter. Cette pression sur la surface supérieure est transmise, par le liquide dans la chambre 15', la conduite 16 et la chambre 15, à la surface interne du noyau 5 qui transmet, de façon multidirectionnelle, l'effort de compression sur les parois internes de la pièce à mouler, en se contractant longitudinalement et en se dilatant transversalement. L'effet inverse se produit lors de la remontée du poinçon 3, et le noyau se sépare de la pièce compactée qui peut alors être éjectée au moyen du piston éjecteur 2.
Comme on peut le voir à la figure 7D, une caractéristique avantageuse de ce mode de réalisation est que, lors du démoulage, le répartiteur de contrainte souple 5 se déforme et entre en contact par une grande surface avec la pièce compactée, assurant ainsi une faible pression sur celle-ci lors du démoulage, et donc un moindre risque de défaut.
Bien entendu, les modes de réalisation représentés aux dessins, et décrits ci-dessus, ne sont qu'exemplaires, et ne limitent en aucune façon l'invention.
Ainsi, on n'a représenté aux dessins que des modes de réalisation dans lesquels le noyau de moulage est formé par le répartiteur de contrainte,parce que ceci constitue un mode de réalisation préféré.
Il est cependant entendu que l'invention s'applique également avec profit au cas où le noyau est un noyau classique rigide, le répartiteur de contrainte enveloppant simplement les parois de la matrice.
D'autre part, diverses combinaisons des modes de réalisation représentés sont bien entendu possibles, et seront évidentes pour l'homme du métier.
Les divers modes de réalisation représentés montrent que le procédé de l'invention peut être utilisé avec de nombreux systèmes d'outillage existant sans modifications importantes, permettant de transformer à peu de frais <EMI ID=13.1>
REVENDICATIONS
1. Procédé de moulage d'une pièce creuse par compactage d'une poudre dans un moule formé par la coopération d'un poinçon et d'une matrice rigides, dans lequel le creux de la pièce à compacter est formé par un noyau de moulage, caractérisé en ce qu'il consiste à
- constituer au moins un élément auxiliaire du moule, venant au contact de la poudre, sous forme d'un organe élastiquement déformable, essentiellement incompressible
- transformer, par deformation dudit organe élastiquement déformable, une partie de l'effort de compression longitudinal produit sur la poudre par le mouvement relatif entre le poinçon et la matrice rigides, en effort de compression transversal sur au moins une partie des parois de la pièce à compacter.