EP3452243A1 - Procede de fabrication d'une piece composite - Google Patents

Procede de fabrication d'une piece composite

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Publication number
EP3452243A1
EP3452243A1 EP17721112.5A EP17721112A EP3452243A1 EP 3452243 A1 EP3452243 A1 EP 3452243A1 EP 17721112 A EP17721112 A EP 17721112A EP 3452243 A1 EP3452243 A1 EP 3452243A1
Authority
EP
European Patent Office
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composite part
zirconia
steel
blank
powder
Prior art date
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Pending
Application number
EP17721112.5A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Henning Luebbe
Stewes Bourban
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Swatch Group Research and Development SA
Original Assignee
Swatch Group Research and Development SA
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Filing date
Publication date
Application filed by Swatch Group Research and Development SA filed Critical Swatch Group Research and Development SA
Publication of EP3452243A1 publication Critical patent/EP3452243A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • the invention relates to a method for manufacturing a composite part and more specifically to a metal-ceramic composite part, that is to say a part combining two distinct materials respectively based on metal and ceramic.
  • EP 2 380 864 describes the manufacture of a ceramic element inlaid by galvanic decors. This process brings many benefits but requires many implementation steps.
  • the object of the present invention is to overcome all or part of the disadvantages mentioned above by proposing a method of manufacturing a metal-ceramic composite part which has fewer steps to be implemented.
  • the invention relates to a method for manufacturing a composite part comprising the following steps:
  • the composite part formed of 316L steel and zirconia.
  • the composite part may be predominantly of metal or alternatively be predominantly ceramic.
  • the steps are simpler to implement and the blank formed of the two types of material is sintered in one step and not consecutively for each material which avoids the multiple manipulations of the intermediate parts as in the case of the background of the invention, more against all odds, and despite the significant difference in thermal expansion coefficient between 316L steel and zirconia could, via the bi-injection process described above obtain a complex 3D composite part bi-injected having a cohesion between the parts of steel and satisfactory zirconia.
  • said at least one first adjuvant comprises a binder and / or a surfactant and / or a plasticizer
  • said at least one first adjuvant comprises an organic compound and / or a polymer
  • said at least one second adjuvant comprises a binder and / or a surfactant and / or a plasticizer
  • said at least one second adjuvant comprises an organic compound and / or a polymer
  • step a) the grains of the steel powder 316L and the grains of the zirconia powder are arranged to allow a substantially identical shrinkage during step d);
  • step b) the first material is agglomerated and, during step c), the second material is agglomerated;
  • step b) the second material is agglomerated and, in step c), the first material is agglomerated;
  • step b) is carried out by injection
  • step c) is carried out by injection; -
  • the method comprises a final finishing step for improving the aesthetics of the composite part formed in step d).
  • the invention relates to a composite part obtained from the method according to one of the preceding claims, characterized in that the composite part combines, in a single piece, two separate materials respectively based on 316L steel and zirconia.
  • the composite part comprises two materials which are indissociable which may be predominantly of metal or alternatively be predominantly ceramic. Both materials being sintered at the same time, they form a single piece although being each of a different nature.
  • the composite part forms all or part of a case, a middle part, a horn, a dial, a flange, a telescope, a pusher, a crown, a a caseback, a needle, a bracelet, a link, a clasp, a decoration, a wall lamp or an ice cream
  • the invention relates to a metal-ceramic composite part.
  • This composite part has been devised for applications in the watchmaking field such as for example cladding elements of a timepiece.
  • the composite part according to the invention can not be limited to the cladding of a timepiece and more generally to watchmaking.
  • this composite part can be applied in the field of tableware, cutlery, jewelery or jewelery.
  • the composite part may form in particular all or part of a casing 1 such as the middle part 2 and the horns 3, a dial 4, a flange, a a bezel 5, a pusher 6, a crown 7, a bottom 8 of a housing, a needle 9, a bracelet 1 0 such as a link 1 1, a decoration 12, a wall 13, an ice 14 or a clasp.
  • a casing 1 such as the middle part 2 and the horns 3, a dial 4, a flange, a a bezel 5, a pusher 6, a crown 7, a bottom 8 of a housing, a needle 9, a bracelet 1 0 such as a link 1 1, a decoration 12, a wall 13, an ice 14 or a clasp.
  • the invention thus relates to a method of manufacturing a composite part.
  • the method comprises a first step a) for forming a first material comprising powder, for example, 316L steel and at least one first adjuvant and a second material comprising powder, for example, zirconia and at least one second adjuvant.
  • the first and second materials respectively formed by injection molding compositions, called "feedstock" in the field of injection each form powders whose grains allow shrinkage during substantially identical sintering.
  • said at least one first adjuvant and said at least one second adjuvant may comprise a binder and / or a surfactant and / or a plasticizer depending on the part to be manufactured and / or the sintering system used.
  • Said at least one first adjuvant and said at least one second adjuvant may thus comprise an organic compound and / or a polymer, optionally supplemented with an additive such as, for example, a gelling compound and / or a surfactant compound.
  • step b) for agglomerating one of the first and second materials in a mold to form at least a first portion of a blank.
  • the first material or the second material can be indifferently agglomerated.
  • the composite part may be "metal-based” or “ceramic-based”.
  • step b) can be carried out by injection, pressing, 3D printing or slip casting. However, preferably, the injection is used to allow obtaining more varied geometries.
  • step c) for agglomerating the other of the first and second materials against the first portion of the blank to form at least a second portion of the blank.
  • step c) can be carried out by injection, pressing, overmoulding, dip coating, 3D printing or slip casting.
  • the injection is used to allow obtaining more varied geometries.
  • steps b) and c) may consist of injection moldings of ceramic and metal also known as English abbreviations CIM ("Ceramic Injection Molding"), MIM ("Metal Injection Molding”) and PIM ("Powder Injection Molding”).
  • CIM Ceramic Injection Molding
  • MIM Metal Injection Molding
  • PIM Powder Injection Molding
  • step d) intended to sinter the blank in order to obtain the composite part formed by 316L steel and zirconia.
  • step d) intended to sinter the blank in order to obtain the composite part formed by 316L steel and zirconia.
  • step b) it is thus possible to agglomerate, during step b), a zirconia forming a main body of the bezel with recesses and, in step c), 316L steel. agglomerating to fill said recesses and thus form one or more graduations.
  • a main composite piece of black color for example provided by the zirconia and having gray graduations for example made by the steel 31 6L.
  • the opposite is also possible.
  • the blank formed of the two types of material is sintered in a single step d) and not consecutively for each material which avoids the multiple manipulations of the intermediate parts as in the case of the background of the 'invention.
  • 316L steel is selectively chosen because it has good mechanical resistance to scratching and corrosion, is insensitive to magnetic fields and is non allergenic to wear. It is therefore understood that the 316L steel has similar qualities to those of zirconia and thus forms, in combination with it, a composite part perfectly suitable for particular parts of dressing a timepiece.
  • the composite part obtained according to the process can form a casing 1 whose middle part 2 is made of 316L steel and the horns 3 made of zirconia (or vice versa), a dial 4 made of zirconia whose index hours are steel 31 6L (or vice versa), a bezel 5 steel 316L with zirconia graduations, or links 1 1 bracelet 10 steel 31 6L with decors zirconia (or vice versa).
  • step d) may also comprise a debinding phase intended to remove said at least one first and at least one second adjuvant and, more generally, any additive used before the sintering phase intended to densify the blank.
  • a final finishing step to improve the aesthetics of the composite part formed in step d) is also possible.
  • Such a finishing step can typically include machining and / or brushing and / or polishing to make the composite part more aesthetically appealing.

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Abstract

L'invention se rapporte à un procédé de fabrication d'une pièce composite comportant une première matière comportant de la poudre d'acier 316L et une deuxième matière comportant de la poudre de zircone formée en une étape unique de frittage.

Description

P ROC E D E D E FAB R I CATI ON D ' U N E P I EC E CO M POS ITE
Domaine de l'invention L'invention se rapporte à un procédé de fabrication d'une pièce composite et plus précisément d'une pièce composite métal - céramique, c'est-à-dire une pièce combinant deux matériaux distincts respectivement à base de métal et de céramique.
Arrière-plan de l'invention Le document EP 2 380 864 décrit la fabrication d'un élément céramique incrusté par des décors galvaniques. Ce procédé apporte de nombreux avantages mais oblige à réaliser beaucoup d'étapes de mise en œuvre.
La publication intitulée « Powder compaction of bimaterials : stainless steel 316L and nanocrystalline yttria stabilised zirconia » décrit la mise en forme d'un composite 316L et zircone yttriée nanocriystalline par compaction de poudres ou pressage uniaxial. Selon ce document un alcool de polyvinyle, dans une proportion de 4% en poids, est ajouté au mélange de chaque poudre comme liant. Selon ce procédé de mise en forme par pressage simultané des deux matières on obtient des densités dans la pièce verte identiques pour les deux poudres. Malgré ces densités proches des deux poudres, condition nécessaire pour obtenir une pièce comportant le moins de défauts de cohésion possible entre les deux matières après le cofrittage tels que des fissures, on constate que selon cette publication les pièces obtenues par le procédé de compactage comportent toujours de tels défauts de cohésion. Ce document mentionne par ailleurs dans sa partie introductive toutes les difficultés qui surgissent lors de la fabrication de pièces moulées par injection de céramique et de métal notamment en raison des coefficients de dilatation thermique des métaux et des céramiques très différents. Ce document est par ailleurs totalement silencieux sur le type de céramique et de métaux qui ont été combinés et préconise clairement pour une combinaison d'acier 316L et de zircone de procéder à une compaction de poudres ou pressage uniaxial suivie d'un cofrittage. On notera en outre que le coefficient de dilatation thermique (CET) de l'acier 316L est bien plus élevé que celui de la zircone (15-18 vs 9-1 1 ppm 1 /K) ce qui renforce le préjugé de l'homme de métier à la lecture de cette publication de ne pas co-injecter un mélange d'injection comprenant de la poudre d'acier et un mélange d'injection comprenant de la poudre de zircone pour réaliser une pièce composite acier 316L - zircone.
Résumé de l'invention Le but de la présente invention est de pallier tout ou partie les inconvénients cités précédemment en proposant un procédé de fabrication d'une pièce composite métal - céramique qui comporte moins d'étapes pour être mis en œuvre.
A cet effet, l'invention se rapporte à un procédé de fabrication d'une pièce composite comportant les étapes suivantes :
a) former une première matière comportant de la poudre d'acier 316L et au moins un premier adjuvant et une deuxième matière comportant de la poudre de zircone et au moins un deuxième adjuvant ;
b) agglomérer une des première et deuxième matières pour former au moins une première partie d'une ébauche ;
c) agglomérer l'autre des première et deuxième matières contre la première partie de l'ébauche pour former au moins une deuxième partie de l'ébauche ;
d) fritter l'ébauche afin d'obtenir la pièce composite formée par de l'acier 316L et de la zircone. On comprend donc que la pièce composite peut être majoritairement en métal ou alternativement être majoritairement en céramique. De plus, on remarque que les étapes sont plus simples à mettre en œuvre et l'ébauche formée des deux types de matières est frittée en une seule étape et non consécutivement pour chaque matière ce qui évite les multiples manipulations des pièces intermédiaires comme dans le cas de l'arrière-plan de l'invention, de plus contre toute attente, et malgré la différence coefficient de dilatation thermique important entre l'acier 316L et la zircone on a pu, via le procédé par bi-injection décrit ci-dessus obtenir une pièce composite complexe 3D bi-injectée présentant une cohésion entre les parties en acier et en zircone satisfaisante.
Conformément à d'autres variantes avantageuses de l'invention :
- ledit au moins un premier adjuvant comporte un liant et/ou un surfactant et/ou un plastifiant ;
- ledit au moins un premier adjuvant comporte un composé organique et/ou un polymère ;
- ledit au moins un deuxième adjuvant comporte un liant et/ou un surfactant et/ou un plastifiant ;
- ledit au moins un deuxième adjuvant comporte un composé organique et/ou un polymère ;
- lors de l'étape a), les grains de la poudre d'acier 316L et les grains de la poudre de zircone sont agencés pour permettre un retrait sensiblement identique lors de l'étape d) ;
- lors de l'étape b), la première matière est agglomérée et, lors de l'étape c), la deuxième matière est agglomérée ;
- lors de l'étape b), la deuxième matière est agglomérée et, lors de l'étape c), la première matière est agglomérée ;
- l'étape b) est réalisée par injection ;
- l'étape c) est réalisée par injection ; - le procédé comporte une étape finale de finissage permettant d'améliorer l'esthétique de la pièce composite formée lors de l'étape d).
De plus, l'invention se rapporte à une pièce composite obtenue à partir du procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la pièce composite combine, de manière monobloc, deux matériaux distincts respectivement à base d'acier 316L et de zircone.
On comprend donc que la pièce composite comporte deux matériaux qui sont indissociables qui peut être majoritairement en métal ou alternativement être majoritairement en céramique. Les deux matériaux étant frittés en même temps, ils forment une pièce monobloc bien qu'étant chacun de nature différente.
Conformément à d'autres variantes avantageuses de l'invention :
- la pièce composite forme tout ou partie d'un boîtier, d'une carrure, d'une corne, d'un cadran, d'un réhaut, d'une lunette, d'un poussoir, d'une couronne, d'un fond de boîtier, d'une aiguille, d'un bracelet, d'un maillon, d'un fermoir, d'un décor, d'une applique ou d'une glace
Description sommaire des dessins
D'autres particularités et avantages ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence à l'unique dessin qui est une représentation d'éléments d'habillage pouvant être mise en œuvre selon l'invention.
Description détaillée des modes de réalisation préférés
Comme expliqué ci-dessus, l'invention se rapporte à une pièce composite métal - céramique. Cette pièce composite a été imaginée pour des applications dans le domaine horloger comme par exemple des éléments d'habillage d'une pièce d'horlogerie. Bien entendu, la pièce composite selon l'invention ne saurait se limiter à l'habillage d'une pièce d'horlogerie et plus généralement à l'horlogerie. Ainsi, à titre nullement limitatif, on peut également imaginer que cette pièce composite puisse être appliquée dans le domaine des arts de la table, de la coutellerie, de la bijouterie ou de la joaillerie.
A titre d'exemples nullement limitatifs et en relation avec la figure 1 , la pièce composite peut former notamment tout ou partie d'un boîtier 1 comme la carrure 2 et les cornes 3, d'un cadran 4, d'un réhaut, d'une lunette 5, d'un poussoir 6, d'une couronne 7, d'un fond 8 de boîtier, d'une aiguille 9, d'un bracelet 1 0 comme un maillon 1 1 , d'un décor 12, d'une applique 13, d'une glace 14 ou d'un fermoir.
L'invention se rapporte donc à un procédé de fabrication d'une pièce composite. Le procédé comporte une première étape a) destinée à former une première matière comportant de la poudre, par exemple, d'acier 316L et au moins un premier adjuvant et une deuxième matière comportant de la poudre, par exemple, de zircone et au moins un deuxième adjuvant.
Préférentiellement, les première et deuxième matières formée respectivement par des compositions de moulage par injection, appelées « feedstock » dans le domaine de l'injection, forment chacune des poudres dont les grains permettent un retrait lors du frittage sensiblement identique.
De plus, ledit au moins un premier adjuvant et ledit au moins un deuxième adjuvant peuvent comporter un liant et/ou un surfactant et/ou un plastifiant suivant la pièce à fabriquer et/ou le système d'agglomération utilisé. Ledit au moins un premier adjuvant et ledit au moins un deuxième adjuvant peuvent ainsi comporter un composé organique et/ou un polymère, éventuellement, complété par un additif comme, par exemple, un composé gélifiant et/ou un composé tensioactif.
Le procédé se poursuit avec une deuxième étape b) destinée à agglomérer une des première et deuxième matières dans un moule pour former au moins une première partie d'une ébauche. Avantageusement selon l'invention, on comprend donc que, lors de l'étape b) du procédé, la première matière ou la deuxième matière peut être indifféremment agglomérée. Cela signifie que la pièce composite pourra être « à base de » métal ou « à base de » céramique. A titre d'exemple, l'étape b) peut être réalisée par injection, pressage, impression 3D ou coulage en barbotine. Toutefois, de manière préférée, l'injection est utilisée pour permettre l'obtention de géométries plus variées.
Le procédé continu avec la troisième étape c) destinée à agglomérer l'autre des première et deuxième matières contre la première partie de l'ébauche pour former au moins une deuxième partie de l'ébauche. A titre d'exemple, l'étape c) peut être réalisée par injection, pressage, surmoulage, enduction par trempage, impression 3D ou coulage en barbotine. Toutefois, de manière préférée, l'injection est utilisée pour permettre l'obtention de géométries plus variées.
Préférentiellement, on comprend donc que les étapes b) et c) peuvent consister en des moulages par injection de céramique et de métal également connus sous les abréviations anglaises CIM (« Ceramic Injection Molding »), MIM (« Métal Injection Molding ») et PIM (« Powder Injection Molding »).
Enfin, le procédé se poursuit avec l'étape d) destinée à fritter l'ébauche afin d'obtenir la pièce composite formée par de l'acier 316L et de la zircone. A titre d'exemple, il est ainsi possible d'agglomérer, lors de l'étape b), une zircone formant un corps principal de lunette avec des évidements et, lors de l'étape c), de l'acier 316L s'agglomérant pour remplir lesdits évidements et ainsi former une ou plusieurs graduations. Après frittage, on peut ainsi obtenir une pièce composite principale de couleur noire par exemple apportée par la zircone et comportant des graduations grises par exemple apportées par l'acier 31 6L. Comme expliqué ci-dessus, l'inverse est également possible.
Avantageusement selon l'invention, l'ébauche formée des deux types de matières est frittée en une seule étape d) et non consécutivement pour chaque matière ce qui évite les multiples manipulations des pièces intermédiaires comme dans le cas de l'arrière-plan de l'invention. De plus, l'acier 316L est sélectivement choisi car il possède une bonne résistance mécanique aux rayures et à la corrosion, est peu sensible aux champs magnétiques et est anallergique au porté. On comprend donc que l'acier 316L possède des qualités similaires à celles de la zircone et forme donc, en combinaison avec elle, une pièce composite parfaitement adaptée pour notamment des pièces d'habillage d'une pièce d'horlogerie.
Ainsi, à titre d'autres exemples, la pièce composite obtenue selon le procédé peut former un boîtier 1 dont la carrure 2 est en acier 316L et les cornes 3 en zircone (ou inversement), un cadran 4 en zircone dont les heures index sont en acier 31 6L (ou inversement), une lunette 5 en acier 316L avec des graduations en zircone, ou des maillons 1 1 de bracelet 10 en acier 31 6L avec des décors en zircone (ou inversement).
Bien entendu, la présente invention ne se limite pas à l'exemple illustré mais est susceptible de diverses variantes et modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, l'étape d) peut également comporter une phase de déliantage destinée à retirer lesdits au moins un premier et au moins un deuxième adjuvant et, plus généralement tout additif utilisé avant la phase de frittage destinée à densifier l'ébauche.
Une étape finale de finissage permettant d'améliorer l'esthétique de la pièce composite formée lors de l'étape d) est également envisageable. Une telle étape de finissage peut typiquement comporter un usinage et/ou un brossage et/ou un polissage permettant de rendre la pièce composite plus attrayante esthétiquement.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Procédé de fabrication d'une pièce composite comportant les étapes suivantes :
a) former une première composition de moulage par injection comprenant de la poudre d'acier 316L et une deuxième composition de moulage par injection comprenant de la poudre de zircone;
b) agglomérer par injection une des première et deuxième compositions pour former au moins une première partie d'une ébauche;
c) agglomérer par injection l'autre des première et deuxième compositions contre la première partie de l'ébauche pour former au moins une deuxième partie de l'ébauche ;
d) fritter l'ébauche afin d'obtenir la pièce composite formée par de l'acier 316L et de la zircone.
2. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que, lors de l'étape a), les grains de la poudre d'acier 31 6L et les grains de la poudre de zircone sont agencés pour permettre un retrait sensiblement identique lors de l'étape d).
3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le procédé comporte une étape finale de finissage permettant d'améliorer l'esthétique de la pièce composite formée lors de l'étape d).
4. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'étape de finissage comporte un usinage et/ou un brossage et/ou un polissage.
5. Pièce composite obtenue à partir du procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la pièce composite combine, de manière monobloc, deux matériaux distincts respectivement à base d'acier 316L et de zircone noire.
6. Pièce composite selon la revendication précédente, caractérisée en ce qu'elle forme tout ou partie d'un boîtier (1 ), d'une carrure (2), d'une corne (3), d'un cadran (4, 22), d'un réhaut, d'une lunette (5), d'un poussoir (6), d'une couronne (7), d'un fond (8) de boîtier, d'une aiguille (9), d'un bracelet (10), d'un maillon (1 1 ), d'un fermoir, d'un décor (1 2), d'une applique (13) ou d'une glace (14).
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