CH711794A2 - Method of manufacturing an amorphous metal part - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un procédé de fabrication d’une pièce micromécanique réalisée en un premier matériau, ledit premier matériau étant un matériau apte à devenir au moins partiellement amorphe, ledit procédé comprenant les étapes suivantes: a) se munir d’un moule (10) réalisé dans un second matériau, ledit moule comportant une empreinte formant le négatif de la pièce micromécanique; 10 b) se munir du premier matériau et le mettre en forme dans l’empreinte dudit moule, ledit premier matériau ayant subi au plus tard au moment de ladite mise en forme un traitement lui permettant de devenir au moins partiellement amorphe; c) désolidariser la pièce de micromécanique ainsi formée du moule: le second matériau formant le moule présente une effusivité allant de 250 à 2500 J/K/m 2 /s 0.5 . L’invention concerne également un composant fabriqué selon ce procédé, ainsi qu’une pièce d’horlogerie ou une pièce de joaillerie comprenant un tel composant.The present invention relates to a method for manufacturing a micromechanical part made of a first material, said first material being a material capable of becoming at least partially amorphous, said method comprising the following steps: a) providing itself with a mold (10) ) made of a second material, said mold having a cavity forming the negative of the micromechanical component; B) providing the first material and forming it in the cavity of said mold, said first material having undergone at the latest at the time of said shaping a treatment enabling it to become at least partially amorphous; c) disengage the micromechanical part thus formed from the mold: the second material forming the mold has an effusivity ranging from 250 to 2500 J / K / m 2 / s 0.5. The invention also relates to a component manufactured according to this method, as well as a timepiece or a piece of jewelery comprising such a component.
Description
Description [0001] La présente invention concerne un procédé de fabrication d’une pièce de micromécanique en métal amorphe.Description: [0001] The present invention relates to a method for manufacturing a micromechanical part made of amorphous metal.
[0002] Le domaine technique de l’invention est le domaine technique de la mécanique fine. Plus précisément, l’invention appartiendra au domaine technique des méthodes de fabrication des pièces en métal amorphe.The technical field of the invention is the technical field of fine mechanics. More specifically, the invention will belong to the technical field of manufacturing methods of amorphous metal parts.
ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUEBACKGROUND
[0003] Il est connu diverses méthodes pour réaliser des pièces de micromécanique. En effet, ces dernières peuvent être réalisées par microusinage ou étampage ou par injection dans un moule.[0003] Various methods are known for producing micromechanical parts. Indeed, these can be performed by micromachining or stamping or by injection into a mold.
[0004] Pour réaliser des pièces en métal amorphe, il peut être également envisagé d’utiliser des méthodes de micro-usinage ou d’étampage.To achieve amorphous metal parts, it can also be envisaged to use micro-machining or stamping methods.
[0005] Toutefois, une solution avantageuse consiste à couler directement la pièce en métal amorphe de façon à obtenir par fonderie la géométrie finale ou une géométrie proche de la géométrie finale ne demandant que peu de retouches. L’absence de structure cristalline implique que les propriétés de la pièce en métal amorphe (en particulier les propriétés mécaniques, la dureté et la polissabilité) ne dépendent pas de la méthode de fabrication. Ceci est un avantage majeur par rapport aux métaux polycristallins traditionnels pour lesquels les pièces brutes de fonderie présentent des propriétés amoindries en comparaison aux pièces forgées.However, an advantageous solution is to directly sink the amorphous metal part so as to obtain the final geometry foundry or geometry close to the final geometry requiring little retouching. The absence of crystalline structure implies that the properties of the amorphous metal part (in particular the mechanical properties, the hardness and the polishability) do not depend on the method of manufacture. This is a major advantage over traditional polycrystalline metals where the castings have lower properties compared to forged parts.
[0006] Toutefois, pour la réalisation de pièces micromécaniques de très faibles épaisseurs (0.5 à 2mm), des inconvénients apparaissent.However, for the realization of micromechanical parts of very small thicknesses (0.5 to 2mm), disadvantages occur.
[0007] Un premier problème provient du refroidissement du moule. Cet inconvénient peut se constater sur deux aspects. Un premier aspect est que le refroidissement ne doit pas être trop lent car il existe alors un risque de cristallisation partielle ou totale et donc de perdre les propriétés des métaux amorphes. Pour certaines pièces de micromécanique ou certaines pièces d’habillage, la présence d’une seule cristallite peut être rédhibitoire pour des raisons de propriétés mécaniques ou d’aspect visuel, étant donné que de telles cristallites apparaîtront immanquablement lors des étapes de finition. Il est donc indispensable d’avoir un refroidissement suffisamment rapide lors de la coulée pour garantir l’amorphicité de la pièce. Pour cette raison, les moules sont réalisés en métal, par exemple en acier ou en cuivre, permettant d’extraire rapidement de la chaleur. Selon la capacité de l’alliage choisi à devenir amorphe, il est possible avec cette méthode d’obtenir des pièces d’épaisseur de l’ordre de 10 mm.A first problem comes from the cooling of the mold. This disadvantage can be seen in two aspects. A first aspect is that the cooling should not be too slow because there is then a risk of partial or total crystallization and thus lose the properties of amorphous metals. For some micromechanical parts or some trim parts, the presence of a single crystallite may be unacceptable for reasons of mechanical properties or visual appearance, since such crystallites will inevitably occur during the finishing steps. It is therefore essential to have a sufficiently rapid cooling during casting to ensure the amorphicity of the room. For this reason, the molds are made of metal, for example steel or copper, for quickly extracting heat. Depending on the capacity of the chosen alloy to become amorphous, it is possible with this method to obtain pieces of thickness of the order of 10 mm.
[0008] Le second aspect à considérer vient du fait que le refroidissement ne doit pas être trop rapide car il existe un risque de solidification avant que l’empreinte du moule ne soit totalement remplie. Or, avec des moules en métal comme le cuivre ou l’acier, l’énergie thermique est vite dispersée entraînant un risque de solidification précoce. Ces deux aspects contradictoires impliquent le compromis suivant: l’épaisseur des pièces coulées ne doit être ni trop petite (risque de solidification avant remplissage complet de l’empreinte), ni trop grande (risque de cristallisation). C’est pourquoi ce procédé est classiquement limité à des pièces d’épaisseur entre environ 2 et 10 mm.The second aspect to consider is that the cooling should not be too fast because there is a risk of solidification before the mold cavity is fully filled. However, with metal molds such as copper or steel, the thermal energy is quickly dispersed causing a risk of early solidification. These two contradictory aspects imply the following compromise: the thickness of the castings must not be too small (risk of solidification before complete filling of the impression), nor too great (risk of crystallization). This is why this process is conventionally limited to pieces of thickness between about 2 and 10 mm.
[0009] Un second inconvénient est un problème de mise en forme. Ce problème de mise en forme vient de la faible taille du moule et de l’empreinte de la pièce micromécanique à fabriquer. Pour certaines géométries, en particulier des géométries évidées, indémoulables, il peut être nécessaire de rajouter des inserts dans le moule qui devront être éliminés après la mise en forme, et perdus. Pour des formes complexes, le coût de ces inserts et des opérations supplémentaires qui y sont liées peut devenir très élevé, rendant le procédé inexploitable industriellement.A second disadvantage is a formatting problem. This formatting problem comes from the small size of the mold and the footprint of the micromechanical part to be manufactured. For some geometries, in particular recessed geometries, indémoulables, it may be necessary to add inserts in the mold to be eliminated after shaping, and lost. For complex shapes, the cost of these inserts and additional operations related thereto can become very high, making the process unusable industrially.
[0010] Une autre solution avantageuse consiste à utiliser les propriétés de mise en forme des métaux amorphes. En effet, les métaux amorphes ont la caractéristique particulière de se ramollir tout en restant amorphes dans un intervalle de température [Tg-Tx] donné propre à chaque alliage et peu élevé car ces températures Tg et Tx sont peu élevées. Cela permet alors de reproduire très précisément des géométries fines et précises car la viscosité de l’alliage diminue fortement et ce dernier peut être facilement déformé afin d’épouser tous les détails d’un moule.Another advantageous solution is to use the shaping properties of amorphous metals. Indeed, the amorphous metals have the particular characteristic of softening while remaining amorphous in a given temperature range [Tg-Tx] specific to each alloy and low because these temperatures Tg and Tx are low. This makes it possible to accurately reproduce fine and precise geometries because the viscosity of the alloy decreases sharply and the latter can be easily deformed in order to match all the details of a mold.
[0011] Toutefois, pour la réalisation de pièces micromécaniques de très faibles épaisseurs (0.5 à 2 mm), la réalisation de moules adaptés est ici encore très complexe et présente les mêmes limitations qu’en fonderie.However, for the realization of micromechanical parts of very small thicknesses (0.5 to 2 mm), the realization of suitable molds is here again very complex and has the same limitations as foundry.
[0012] De plus, à une température située entre Tg et Tx, le temps à disposition avant que l’alliage ne finisse par cristalliser est limité. Si la géométrie présente de nombreuses complexités de faibles épaisseurs, le temps nécessaire au remplissage complet du moule pourra être supérieur au temps à disposition, entraînant une cristallisation partielle ou complète de la pièce et une perte de ses propriétés mécaniques en particulier.In addition, at a temperature between Tg and Tx, the time available before the alloy does crystallize is limited. If the geometry has many complexities of small thicknesses, the time required for complete filling of the mold may be longer than the time available, resulting in partial or complete crystallization of the part and a loss of its mechanical properties in particular.
[0013] Une technique similaire connue est la technologie LIGA. Le LIGA se compose de trois principales étapes de traitement; la lithographie, la galvanoplastie et le moulage. Il existe deux principales technologies de fabrication LIGA, la technique X-Ray LIGA, qui utilise les rayons X produits par un synchrotron pour créer des structures ayant un rapport d’aspect élevé, et la technique LIGA UV, une méthode plus accessible qui utilise la lumière ultraviolette pour créer des structures ayant des faibles rapports d’aspect.A similar known technique is the LIGA technology. The LIGA consists of three main stages of treatment; lithography, electroplating and molding. There are two main manufacturing technologies LIGA, the X-Ray LIGA technique, which uses the X-rays produced by a synchrotron to create structures with a high aspect ratio, and the LIGA UV technique, a more accessible method that uses the ultraviolet light to create structures with low aspect ratios.
[0014] Les caractéristiques notables de structures de LIGA fabriqué par la méthode X-ray comprennent: - des rapports d’aspect élevés, de l’ordre de 100:1; - des parois latérales parallèles avec un angle de flanc de l’ordre de 89,95 °; - parois latérales lisses avec = 10 nm, adaptées pour les miroirs optiques; - hauteurs structurelles de dizaines de micromètres à quelques millimètres; - les détails structurels de l’ordre de micromètres sur des distances de centimètres.Significant features of LIGA structures manufactured by the X-ray method include: - high aspect ratios, of the order of 100: 1; parallel side walls with a flank angle of the order of 89.95 °; - smooth side walls with = 10 nm, suitable for optical mirrors; - structural heights from tens of microns to a few millimeters; - the structural details of the order of micrometers over distances of centimeters.
[0015] Le X-Ray LIGA est un procédé de fabrication en microtechnique développé au début des années 1980. Dans ce procédé, un polymère photorésistif sensible aux rayons X, typiquement PMMA (poly(méthacrylate de méthyle)), lié à un substrat électriquement conducteur, est exposé à des faisceaux parallèles de rayons X de haute énergie provenant d’une source de rayonnement de synchrotron au travers d’un masque en partie recouvert d’un matériau absorbant les rayons X. L’élimination chimique des zones exposées (ou non exposées) du polymère photorésistif permet l’obtention d’une structure en trois dimensions qui peut être remplie par une électrodéposition de métal. La résine est chimiquement enlevée pour produire un insert de moule métallique. L’insert de moule peut être utilisé pour produire des pièces en polymères ou céramiques par moulage par injection.X-Ray LIGA is a manufacturing process in microtechnology developed in the early 1980s. In this process, a photoresist sensitive to X-rays, typically PMMA (poly (methyl methacrylate)), bonded to an electrically conductive substrate. conductor, is exposed to parallel beams of high-energy X-rays from a synchrotron radiation source through a mask partially covered with an X-ray absorbing material. Chemical removal from exposed areas (or unexposed) of the photoresist polymer provides a three-dimensional structure which can be filled by metal plating. The resin is chemically removed to produce a metal mold insert. The mold insert can be used to produce polymer or ceramic parts by injection molding.
[0016] Le principal avantage de la technique LIGA est la précision obtenue par l’utilisation de la lithographie à rayons X (DXRL). Cette technique permet d’avoir des microstructures ayant des rapports d’aspect élevés et une grande précision pour être fabriqués dans une variété de matériaux (métaux, matières plastiques et des céramiques).The main advantage of the LIGA technique is the precision obtained by the use of X-ray lithography (DXRL). This technique allows for microstructures with high aspect ratios and high accuracy to be manufactured in a variety of materials (metals, plastics and ceramics).
[0017] La technique LIGA UV utilise une source de lumière ultraviolette peu coûteuse, comme une lampe à mercure, pour exposer un polymère photorésistif, typiquement SU-8. De fait que le chauffage et la transmission ne sont pas un problème dans les masques optiques, un masque de chrome simple peut être substitué à la technique sophistiquée de masque X-ray. Ces simplifications font de la technique LIGA UV, une technique beaucoup moins chère et plus accessible que son homologue X-ray. Cependant, la technique LIGA UV n’est pas aussi efficace pour produire des moules de précision et est donc utilisée lorsque le coût doit être maintenu bas et lorsque des rapports d’aspect très élevés ne sont pas nécessaires.The LIGA UV technique uses an inexpensive ultraviolet light source, such as a mercury lamp, to expose a photoresist polymer, typically SU-8. Because heating and transmission are not a problem in optical masks, a simple chrome mask can be substituted for the sophisticated X-ray mask technique. These simplifications make the LIGA UV technique a much cheaper and more accessible technique than its X-ray counterpart. However, the LIGA UV technique is not as efficient in producing precision molds and is therefore used when the cost has to be kept low and when very high aspect ratios are not needed.
[0018] L’inconvénient d’un tel procédé est qu’il est qu’il ne permet pas la réalisation simple de pièces en trois dimensions. En effet, la fabrication de pièce en trois dimensions via le procédé LIGA est possible mais il est nécessaire de réaliser plusieurs itérations successives de photolithographie, et dépôt galvanique.The disadvantage of such a method is that it does not allow the simple realization of three-dimensional parts. Indeed, the manufacture of three-dimensional part via the LIGA process is possible but it is necessary to carry out several successive iterations of photolithography, and galvanic deposition.
[0019] Par ailleurs, le procédé LIGA pose un problème concernant le choix des matériaux. Effectivement, deux matériaux sont nécessaires: un matériau pour le substrat et un matériau qui sera déposé. Le matériau pour le substrat doit être photo-structurable de sorte que le plâtre ou le zircon ne sont pas utilisables. Pour le matériau déposé, celui-ci doit pouvoir être déposé via galvanoplastie de sorte que les matériaux métalliques soient les seuls envisageables. Or, de tels matériaux présentent généralement des caractéristiques thermiques telles qu’ils assurent une bonne dissipation thermique et donc un bon refroidissement. Cette capacité à bien dissiper l’énergie thermique provoquerait, pour un alliage métallique amorphe mis en forme dans le moule en LIGA, un durcissement trop rapide et empêcherait donc une bonne formation des pièces.Moreover, the LIGA process poses a problem concerning the choice of materials. Indeed, two materials are needed: a material for the substrate and a material that will be deposited. The material for the substrate must be photo-structuring so that the plaster or zircon is not usable. For the deposited material, it must be deposited electroplating so that the metal materials are the only ones that can be envisaged. However, such materials generally have thermal characteristics such that they ensure good heat dissipation and therefore good cooling. This ability to dissipate heat energy would cause, for an amorphous metal alloy formed in the LIGA mold, a hardening too fast and thus prevent good formation of parts.
[0020] Enfin, le procédé LIGA pour la fabrication du moule est de nature à limiter les géométries possible puisqu’un tel moule en trois dimensions nécessiterait une fabrication strate par strate.Finally, the LIGA process for the manufacture of the mold is likely to limit the possible geometries since such a three-dimensional mold would require strata production by stratum.
RESUME DE L’INVENTIONSUMMARY OF THE INVENTION
[0021] L’invention concerne un procédé de réalisation d’une première pièce qui pallie les inconvénients de l’art antérieur en permettant d’obtenir un procédé de fabrication d’un composant réalisé en un premier matériau métallique, ledit premier matériau étant un matériau apte à devenir au moins partiellement amorphe, ledit procédé comprenant les étapes suivantes: a) se munir d’un moule réalisé dans un second matériau, ledit moule comportant une empreinte formant le négatif du composant; b) se munir du premier matériau et le mettre en forme dans l’empreinte dudit moule, ledit premier matériau ayant subi au plus tard au moment de ladite mise en forme un traitement lui permettant de devenir au moins partiellement amorphe; c) désolidariser le composant ainsi formé du moule; caractérisé en ce que le second matériau formant le moule présente une effusivité thermique allant de 250 à 2500 J/ K/m2/s0·5.The invention relates to a method for producing a first part which overcomes the disadvantages of the prior art by making it possible to obtain a method of manufacturing a component made of a first metallic material, said first material being a material capable of becoming at least partially amorphous, said method comprising the following steps: a) providing itself with a mold made of a second material, said mold comprising a cavity forming the negative of the component; b) providing the first material and forming it in the cavity of said mold, said first material having undergone at the latest at the time of said shaping a treatment enabling it to become at least partially amorphous; c) dissociating the component thus formed from the mold; characterized in that the second material forming the mold has a thermal effusivity ranging from 250 to 2500 J / K / m2 / s0 · 5.
[0022] Dans un premier mode de réalisation avantageux, l’étape c) consiste à dissoudre ledit moule.In a first advantageous embodiment, step c) consists in dissolving said mold.
[0023] Dans un second mode de réalisation avantageux, ledit premier matériau est soumis à une montée en température au-dessus de sa température de fusion lui permettant de perdre localement toute structure cristalline, ladite montée étant suivie d’un refroidissement à une température inférieure à sa température de transition vitreuse permettant audit premier matériau de devenir au moins partiellement amorphe.In a second advantageous embodiment, said first material is subjected to a rise in temperature above its melting temperature allowing it to lose locally any crystalline structure, said rise being followed by cooling to a lower temperature. at its glass transition temperature allowing said first material to become at least partially amorphous.
[0024] Dans un troisième mode de réalisation avantageux, l’étape b) de mise en forme est simultanée avec un traitement rendant ledit premier matériau au moins partiellement amorphe, en le soumettant à une température supérieure à sa température de fusion suivie d’un refroidissement à une température inférieure à sa température de transition vitreuse lui permettant de devenir au moins partiellement amorphe, lors d’une opération de coulée. Ce mode de réalisation est caractérisé en ce que la vitesse critique de refroidissement du premier matériau est inférieure à 10K/s.In a third advantageous embodiment, the shaping step b) is simultaneous with a treatment rendering said first material at least partially amorphous, by subjecting it to a temperature greater than its melting temperature followed by cooling to a temperature below its glass transition temperature allowing it to become at least partially amorphous, during a casting operation. This embodiment is characterized in that the critical cooling speed of the first material is less than 10K / s.
[0025] Dans un quatrième mode de réalisation avantageux, la mise en forme se fait par injection.In a fourth advantageous embodiment, the shaping is done by injection.
[0026] Dans un cinquième mode de réalisation avantageux, la mise en forme se fait par coulée centrifuge.In a fifth advantageous embodiment, the shaping is done by centrifugal casting.
[0027] Dans un autre mode de réalisation avantageux, le second matériau est du zircon ayant une effusivité de 2300 J/ K/m2/s0·5.In another advantageous embodiment, the second material is zircon having an effusivity of 2300 J / K / m2 / s0 · 5.
[0028] Dans un autre mode de réalisation avantageux, le second matériau est du type plâtre composé majoritairement de gypse et/ou de silice, ayant une effusivité comprise entre 250 et 1000 J/K/m2/s0·5.In another advantageous embodiment, the second material is of the plaster type composed mainly of gypsum and / or silica, having an effusivity of between 250 and 1000 J / K / m2 / s0 · 5.
[0029] Dans un autre mode de réalisation avantageux, le premier matériau présente une vitesse de refroidissement critique inférieure ou égale à 10K/s.In another advantageous embodiment, the first material has a critical cooling rate of less than or equal to 10 K / s.
[0030] L’invention concerne également un composant réalisé dans un premier matériau étant un matériau métallique apte à devenir au moins partiellement amorphe, caractérisé en ce qu’il est fabriqué en utilisant le procédé selon l’invention.The invention also relates to a component made of a first material being a metallic material capable of becoming at least partially amorphous, characterized in that it is manufactured using the method according to the invention.
[0031] L’invention concerne en outre une pièce d’horlogerie ou de joaillerie comprenant le composant selon l’invention, ledit composant est choisi dans la liste comprenant une carrure, une lunette, un maillon de bracelet, un rouage, une aiguille, une couronne, une ancre ou un balancier de système d’échappement, une cage de tourbillon, une bague, un bouton de manchettes ou une boucle d’oreilles ou un pendentif.The invention further relates to a timepiece or jewelery comprising the component according to the invention, said component is selected from the list comprising a middle part, a bezel, a bracelet link, a cog, a needle, a crown, an anchor or an exhaust system rocker, a tourbillon cage, a ring, a cufflink or an earring or a pendant.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURESBRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
[0032] Les buts, avantages et caractéristiques du procédé de réalisation d’une première pièce selon la présente invention apparaîtront plus clairement dans la description détaillée suivante d’au moins une forme de réalisation de l’invention donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif et illustrée par les dessins annexés sur lesquels: - les fig. 1 à 6 représentent de manière schématique les étapes du procédé selon la présente invention.The objects, advantages and features of the method of producing a first part according to the present invention will appear more clearly in the following detailed description of at least one embodiment of the invention given solely by way of non-limiting example. limiting and illustrated by the accompanying drawings in which: - Figs. 1 to 6 show schematically the steps of the method according to the present invention.
DESCRIPTION DETAILLEEDETAILED DESCRIPTION
[0033] Les fig. 1 à 6 représentent les différentes étapes du procédé de réalisation d’un composant horloger ou joailler 1 appelé aussi première pièce 1 selon la présente invention. Cette première pièce 1 est réalisée en un premier matériau. Cette première pièce 1 peut être une pièce d’habillage comme une carrure, une lunette, un maillon de bracelet, une bague, des boutons de manchettes ou des boucles d’oreilles ou un pendentif ou une pièce fonctionnelle comme un rouage 3, une aiguille, une couronne, une ancre 5 ou un balancier 7 de système d’échappement 9, une cage de tourbillon.Figs. 1 to 6 show the various steps of the method of producing a watchmaking or jewelry component 1 also called first piece 1 according to the present invention. This first piece 1 is made of a first material. This first piece 1 may be a piece of clothing such as a caseband, a bezel, a bracelet link, a ring, cufflinks or earrings or a pendant or a functional piece such as a cogwheel 3, a needle , a crown, an anchor 5 or a balance 7 exhaust system 9, a tourbillon cage.
[0034] Le premier matériau est avantageusement un matériau au moins partiellement amorphe. Plus particulièrement, le matériau est métallique, on comprend par là qu’il comporte au moins un élément métallique ou métalloïde dans une proportion d’au moins 50% en masse. Le premier matériau peut être un alliage métallique homogène ou un métal au moins partiellement ou totalement amorphe. Le premier matériau est ainsi choisi apte à perdre localement toute structure cristalline lors d’une montée en température au-dessus de sa température de fusion suivie d’un refroidissement suffisamment rapide à une température inférieure à sa température de transition vitreuse, lui permettant de devenir au moins partiellement amorphe. L’élément métallique pourra être précieux ou non.The first material is advantageously an at least partially amorphous material. More particularly, the material is metallic, it is understood that it comprises at least one metal or metalloid element in a proportion of at least 50% by weight. The first material may be a homogeneous metal alloy or an at least partially or totally amorphous metal. The first material is thus chosen capable of locally losing any crystalline structure during a rise in temperature above its melting temperature followed by sufficiently rapid cooling to a temperature below its glass transition temperature, allowing it to become at least partially amorphous. The metal element may be valuable or not.
[0035] La première étape, représentée à la fig. 2, consiste à se munir d’un moule 10. Ce moule 10 présente une empreinte 12 qui est le négatif de la pièce 1 à réaliser. Il s’agit ici d’un moule dit à cire perdue. Ce type de moule consiste en un moule 10 réalisé dans un matériau qui peut être détruit ou dissout après utilisation pour libérer ladite pièce. L’avantage de ce type de moule est sa facilité de fabrication et de démoulage, qui est indépendante de la géométrie de l’empreinte. Il est ainsi possible de réaliser facilement des empreintes de géométries complexes et/ou évidées, sans inserts. Ce moule pourra être obtenu par recouvrement d’un modèle en cire ou résine, lui-même obtenu par injection, par fabrication additive, par usinage, ou par sculpture. Ce moule 10 comprend un conduit 14 pour que le métal liquide puisse y être versé.The first step, shown in FIG. 2, consists in providing a mold 10. This mold 10 has a cavity 12 which is the negative of the part 1 to achieve. This is a mold called lost wax. This type of mold consists of a mold 10 made of a material that can be destroyed or dissolved after use to release said part. The advantage of this type of mold is its ease of manufacture and demolding, which is independent of the geometry of the print. It is thus possible to easily make fingerprints of complex geometries and / or recesses, without inserts. This mold may be obtained by covering a wax or resin model, itself obtained by injection, additive manufacturing, machining, or sculpture. This mold 10 comprises a conduit 14 so that the liquid metal can be poured therein.
[0036] Ce moule 10 est ainsi réalisé en un second matériau. Avantageusement, le matériau du moule est choisi pour présenter des propriétés thermiques spécifiques. En effet, le but est ici d’avoir un moule pour la coulée en cire perdue qui est réalisé dans un matériau permettant au matériau amorphe de la pièce micromécanique de ne pas cristalliser tout en remplissant complètement l’empreinte du moule.This mold 10 is thus made of a second material. Advantageously, the mold material is chosen to have specific thermal properties. Indeed, the aim here is to have a mold for casting lost wax which is made of a material allowing the amorphous material of the micromechanical part not to crystallize while completely filling the mold cavity.
[0037] La cristallisation des métaux amorphes se produit lorsque ceux-ci, quand ils se trouvent dans un état visqueux ou liquide, ne sont pas refroidis suffisamment rapidement pour empêcher les atomes de se structurer entre eux. Pour un alliage donné, on définit cette caractéristique par la vitesse de refroidissement critique, Rc, soit la vitesse de refroidissement minimale à respecter entre la température de fusion et la température de transition vitreuse afin de conserver un état amorphe de la matière. Par conséquent, il devient nécessaire d’avoir un moule 10 réalisé dans un matériau qui dissipe suffisamment bien l’énergie thermique pour garantir une vitesse de refroidissement R supérieure à Rc. Classiquement, les moules de fonderie sont réalisés en acier ou en alliages cuivreux afin d’avoir une valeur de R élevée.The crystallization of amorphous metals occurs when these, when they are in a viscous or liquid state, are not cooled fast enough to prevent the atoms from structuring themselves. For a given alloy, this characteristic is defined by the critical cooling rate, Rc, ie the minimum cooling rate to be respected between the melting point and the glass transition temperature in order to maintain an amorphous state of the material. Therefore, it becomes necessary to have a mold 10 made of a material that dissipates heat energy well enough to ensure a cooling rate R greater than Rc. Conventionally, foundry molds are made of steel or cuprous alloys to have a high R value.
[0038] Toutefois, pour des pièces de faibles dimensions ou présentant des détails fins et complexes, cette capacité à dissiper l’énergie thermique ne doit pas être trop importante. Dans le cas où cette capacité est trop importante, le risque est que le premier matériau formant la première pièce ne fige avant de pouvoir remplir entièrement l’empreinte 12 du moule 10.However, for parts of small dimensions or with fine and complex details, this ability to dissipate thermal energy should not be too important. In the case where this capacity is too large, the risk is that the first material forming the first piece freeze before being able to completely fill the cavity 12 of the mold 10.
[0039] A ce titre, la présente invention se propose d’utiliser le critère d’effusivité thermique E en combinaison avec Rc.As such, the present invention proposes to use the thermal effusivity criterion E in combination with Rc.
[0040] L’effusivité thermique d’un matériau caractérise sa capacité à échanger de l’énergie thermique avec son environnement. Elle est donnée par: où:The thermal effusivity of a material characterizes its ability to exchange thermal energy with its environment. It is given by: where:
λ: est la conductivité thermique du matériau (en Wm'1· K'1) p: la masse volumique du matériau (en kgm'3) c: la capacité thermique massique du matériau (en J-kg'1-K'1) L’effusivité se mesure alors en J/K/m2/s°·5.λ: is the thermal conductivity of the material (in Wm'1 · K'1) p: the density of the material (in kgm'3) c: the specific heat capacity of the material (in J-kg'1-K'1 The effusivity is then measured in J / K / m2 / s ° · 5.
[0041] Cette effusivité permet, selon l’épaisseur de la première pièce à réaliser, d’obtenir un refroidissement qui garantit un état amorphe du matériau, c’est-à-dire R > Rc. En effet, si le critère d’effusivité est important, l’amorphicité est liée à l’épaisseur de la pièce à fabriquer. On comprend facilement que, pour une épaisseur donnée, une grande effusivité risque d’entraîner une solidification du matériau avant que celui-ci n’ait pu remplir la totalité du moule alors qu’une trop faible effusivité risque d’entrainer une cristallisation. Selon l’invention, on considérera que l’effusivité sera choisie dans un intervalle allant de 250 à 2500 J/K/m2/s°·5. A titre d’exemple de matériau, l’effusivité des matériaux de type plâtre est de 250-1000 J/K/m2/s°-5alors que pour le zircon, elle sera de 2300 J/K/m2/s°·5.This effusivity allows, according to the thickness of the first piece to achieve, to obtain a cooling which guarantees an amorphous state of the material, that is to say, R> Rc. Indeed, if the criterion of effusiveness is important, the amorphicity is related to the thickness of the part to be manufactured. It is easily understood that, for a given thickness, a high effusivity may result in solidification of the material before it has been able to fill the entire mold while too little effusivity may cause crystallization. According to the invention, it will be considered that the effusivity will be chosen within a range of 250 to 2500 J / K / m2 / s ° · 5. As an example of material, the effusivity of plaster-type materials is 250-1000 J / K / m2 / s -5 while for zircon it will be 2300 J / K / m2 / s ° · 5 .
[0042] Avec les caractéristiques d’effusivité choisies pour l’invention, il est possible d’obtenir une première pièce ayant une épaisseur de 0.5 mm ou plus sans figer la matière avant que l’empreinte ne soit remplie en totalité. Il est clair que des pièces ou des parties de pièce d’épaisseur inférieure à 0.5 mm puissent être correctement remplies si elles sont des détails ponctuels et de faibles dimensions.With the effusivity characteristics chosen for the invention, it is possible to obtain a first piece having a thickness of 0.5 mm or more without freezing the material before the impression is completely filled. It is clear that parts or parts of parts less than 0.5 mm thick can be correctly filled if they are point and small details.
[0043] La seconde étape consiste à se munir du premier matériau, c’est-à-dire du matériau constitutif de la première pièce 1. Une fois muni du matériau, la suite de cette seconde étape consiste à le mettre en forme comme visible aux fig. 3 et 4. Pour cela, un procédé de coulée est utilisé.The second step is to provide the first material, that is to say the material constituting the first part 1. Once provided with the material, the rest of this second step is to form it as visible in figs. 3 and 4. For this, a casting process is used.
[0044] Un tel procédé consiste à prendre le premier matériau dont on s’est muni lors de la troisième étape sans pour autant lui avoir fait subir un traitement le rendant au moins partiellement amorphe et de le mettre sous forme liquide. Cette mise sous forme liquide se fait par fusion dudit premier matériau dans un récipient verseur 20.Such a method consists in taking the first material which was provided during the third step without having made it undergo a treatment rendering it at least partially amorphous and put it in liquid form. This liquid forming is done by melting said first material in a pouring container 20.
[0045] Une fois le premier matériau sous forme liquide, celui-ci est coulé dans l’empreinte 2 du moule. Lorsque l’empreinte 2 du moule est remplie ou au moins partiellement remplie, le premier matériau est alors refroidi de sorte à lui donner une forme amorphe. Selon l’invention, le refroidissement est opéré par dissipation de chaleur du moule 10 c’est-à-dire en utilisant les caractéristiques thermiques du matériau constitutif du moule.Once the first material in liquid form, it is poured into the cavity 2 of the mold. When the cavity 2 of the mold is filled or at least partially filled, the first material is then cooled so as to give it an amorphous shape. According to the invention, the cooling is carried out by heat dissipation of the mold 10, that is to say by using the thermal characteristics of the constituent material of the mold.
[0046] Pour rappel, le matériau constitutif du moule 10 sera choisi pour avoir une effusivité comprise dans un intervalle allant de 250 à 2500 J/K/m2/s°·5, cette effusivité thermique d’un matériau étant la capacité de ce dernier à échanger de l’énergie thermique avec son environnement. Ainsi, plus l’effusivité est grande est plus le refroidissement sera important, à épaisseur équivalente.As a reminder, the material constituting the mold 10 will be chosen to have an effusivity in the range of 250 to 2500 J / K / m2 / s ° · 5, this thermal effusivity of a material being the capacity of this material. last to exchange thermal energy with its environment. Thus, the greater the effusivity, the greater the cooling will be at equivalent thickness.
[0047] Avec de telles valeurs d’effusivité, la vitesse de refroidissement R est faible par rapport aux moules traditionnellement utilisés en métal. Pour comparaison, l’effusivité de l’acier est de plus de 10 000 J/K/m2/s05et du cuivre de plus de 35 000 J/K/m2/s°·5. Pour cette raison, il est nécessaire d’utiliser un premier matériau ayant une vitesse de refroidissement critique Rc faible afin de garantir un état amorphe ou partiellement amorphe de la pièce à réaliser. Cette vitesse de refroidissement critique Rc sera inférieure à 15 K/s. Des alliages utilisés sont par exemple donnés par les compositions Zr58.5Cu15.6NM2.8AI10.3Nb2.8 (Rc=10K/s), Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5 (Rc=1.4K/s) ou encore Pd43Cu27Ni10P20 (Rc=0.10K/s). On comprendra donc qu’un moule utilisé dans la présente invention ne peut être réalisé en matériau métallique.With such effusivity values, the cooling rate R is low compared to the traditionally used metal molds. For comparison, the effusivity of steel is more than 10,000 J / K / m2 / s05 and copper more than 35,000 J / K / m2 / s ° · 5. For this reason, it is necessary to use a first material having a low critical cooling rate Rc in order to guarantee an amorphous or partially amorphous state of the part to be produced. This critical cooling rate Rc will be less than 15 K / s. Alloys used are, for example, given by the compositions Zr58.5Cu15.6NM2.8Al10.3Nb2.8 (Rc = 10K / s), Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5 (Rc = 1.4K / s) or else Pd43Cu27Ni10P20 ( rc = 0.10K / s). It will therefore be understood that a mold used in the present invention can not be made of metallic material.
[0048] Avec les caractéristiques d’effusivité choisies pour l’invention, il est ainsi possible d’obtenir une première pièce en métal amorphe ayant une épaisseur comprise entre 0.5 mm et 1.4 mm, étant entendu comme expliqué ci-dessus que des détails de plus faible épaisseur sont réalisables s’ils sont ponctuels et limités en taille. De manière similaire, des pièces ou des parties de pièces d’épaisseur supérieure à 1.4 mm peuvent être réalisées sans cristallisation si elles sont considérées comme des détails ponctuels et de faibles dimensions.With the effusivity characteristics chosen for the invention, it is thus possible to obtain a first piece of amorphous metal having a thickness of between 0.5 mm and 1.4 mm, being understood as explained above that details of lower thickness are achievable if they are punctual and limited in size. Similarly, parts or parts of parts greater than 1.4 mm thick can be made without crystallization if they are considered point and small details.
[0049] Un avantage de la coulée d’un métal ou alliage capable d’être amorphe, est d’avoir une température de fusion peu élevée. En effet, les températures de fusion des métaux ou alliages capables d’avoir une forme amorphe, sont en général deux à trois fois plus faibles que celles des alliages classiques lorsque l’on considère des compositions de mêmes types. Par exemple, la température de fusion de l’alliage Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5 est de 750 °C comparé au 1500-1700 °C des alliages cristallins à base de zirconium Zr et titane Ti. Cela permet d’éviter d’endommager le moule.An advantage of casting a metal or alloy capable of being amorphous is to have a low melting temperature. Indeed, the melting temperatures of metals or alloys capable of having an amorphous form, are in general two to three times lower than those of conventional alloys when one considers compositions of the same types. For example, the melting temperature of Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5 alloy is 750 ° C compared to 1500-1700 ° C of zirconium Zr and Ti titanium alloys. This avoids damaging the mold.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PK | Correction |
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