EP3700695A1 - Procédé et dispositif de moulage notamment d'un verre métallique - Google Patents

Procédé et dispositif de moulage notamment d'un verre métallique

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EP3700695A1
EP3700695A1 EP18789433.2A EP18789433A EP3700695A1 EP 3700695 A1 EP3700695 A1 EP 3700695A1 EP 18789433 A EP18789433 A EP 18789433A EP 3700695 A1 EP3700695 A1 EP 3700695A1
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EP
European Patent Office
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piston
crucible
mold
melting
coil
Prior art date
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EP18789433.2A
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EP3700695B1 (fr
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José FEIGENBLUM
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RocTool SA
Original Assignee
RocTool SA
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Publication date
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    • B22D17/00—Pressure die casting or injection die casting, i.e. casting in which the metal is forced into a mould under high pressure
    • B22D17/20—Accessories: Details
    • B22D17/2015—Means for forcing the molten metal into the die
    • B22D17/2038—Heating, cooling or lubricating the injection unit
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D17/00—Pressure die casting or injection die casting, i.e. casting in which the metal is forced into a mould under high pressure
    • B22D17/02—Hot chamber machines, i.e. with heated press chamber in which metal is melted
    • B22D17/04—Plunger machines
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    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D17/00—Pressure die casting or injection die casting, i.e. casting in which the metal is forced into a mould under high pressure
    • B22D17/20—Accessories: Details
    • B22D17/2015—Means for forcing the molten metal into the die
    • B22D17/203—Injection pistons
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D25/00—Special casting characterised by the nature of the product
    • B22D25/06—Special casting characterised by the nature of the product by its physical properties
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27B—FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
    • F27B14/00—Crucible or pot furnaces
    • F27B14/06—Crucible or pot furnaces heated electrically, e.g. induction crucible furnaces with or without any other source of heat
    • F27B14/061—Induction furnaces
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27D—DETAILS OR ACCESSORIES OF FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS, IN SO FAR AS THEY ARE OF KINDS OCCURRING IN MORE THAN ONE KIND OF FURNACE
    • F27D11/00—Arrangement of elements for electric heating in or on furnaces
    • F27D11/12—Arrangement of elements for electric heating in or on furnaces with electromagnetic fields acting directly on the material being heated

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for molding, in particular a metallic glass.
  • the invention is more particularly, but not exclusively, adapted to the manufacture of shells for electronic equipment, more particularly for smart phones.
  • the metallic glasses being in the form of an amorphous metal, not crystallized or partially crystallized, which due to the absence of grain boundaries in the metal structure, have characteristics of hardness, elasticity and corrosion resistance, which makes them particularly effective for this type of application and make it unnecessary protective shells in which consumers wrap their smart phone to protect it from shocks, scratches and make it waterproof.
  • such shells are obtained from a sheet of an amorphous metal alloy, which is shaped by a blow molding process, similar to glass forming processes, in a die in the form of said shell after heating said sheet to a relatively low temperature compared to the temperature that would be necessary to achieve with the same crystallized metal alloy to obtain equivalent forming.
  • the methods of the prior art use a vacuum molding technique of a bulk metal glass alloy ("Bulk Metallic Glass” or BMG).
  • BMG Bulk Metallic Glass
  • the use of a BMG makes it possible to reduce the critical cooling speed allowing the solidification of the material into an amorphous material.
  • the material must be molded under conditions that avoid contamination by impurities, including nitrogen and oxygen.
  • the melting and casting operations are carried out under vacuum or in a neutral atmosphere.
  • the material is melted in a crucible by means of induction heating and then injected into the mold.
  • the techniques of the prior art use either a crucible made of a material transparent to the magnetic field, such as a hollow zirconia, or a cold sectorized copper crucible.
  • a channel generally called an injection or casting crucible, makes it possible to place the melting crucible content in communication with the mold cavity while keeping the assembly under vacuum.
  • the communication between the melting crucible and the injection crucible must be closed during the melting operation, and then opened to allow casting, which is achieved by movable closing means, such as a hatch, a piston or a moving finger.
  • the melting crucible When the melting crucible is placed vertically, for example above the mold, and the gravity tends to bring the molten charge of the movable closing means, they must be cooled, in particular not to damage the means ensuring the seal between said movable closure means and the injection crucible, the molten charge is cooled in contact with the movable closing means and during each casting, there remains a wolf of material on the surface thereof, which is likely to interfere with the operation of the device and must be eliminated.
  • the ceramic crucible also has the disadvantage of reacting with certain alloys.
  • the sectorized cold crucible makes it possible to move the melting charge away from the walls of the crucible by the magnetic forces of Laplace, but does not solve the problem of the creation of a wolf.
  • said crucible is placed horizontally, and the forces of Lapace compensate gravity, the load being levitated or pseudo-levitation inside the tube constituted by the crucible.
  • the injection of the material into the mold involves the use of a cooled piston, moving in the crucible and pushing the charge into the molding cavity.
  • the crucible is placed vertically and is closed by a removable and cooled hearth, constituting a trap between the melting crucible and the mold.
  • the molten material is cooled in contact with the piston or the hatch and there is also a wolf (skull) material in contact with them, which must be removed periodically, or even when of each casting.
  • JPH 0917421 discloses a crucible and mold suitable for shell molding an aluminum alloy, comprising a crucible disposed horizontally, and wherein a material previously melt is spilled.
  • Document US2015 / 298296 discloses a device and a method for molding a BMG comprising a melting crucible made of a material transparent to magnetic fields, said BMG being injected into the mold by means of a piston cooled.
  • US 5156 202 discloses a sectorized mold which is closed in its lower part by a sectorized plate and cooled, comprising an opening in its center. A molten metal is introduced through the upper part of the closed mold in its lower part by the sectorized plate. A piston pushes the material against the walls of the mold and the sectorized plate in contact with which it cools. The mold is surrounded by a coil powered by high frequency alternating current.
  • WO2013 / 190020 discloses a mold comprising induction heating means and cooling means.
  • the invention aims to solve the disadvantages of the prior art and concerns for this purpose a device for producing a part by molding a BMG, which dispositiif comprises:
  • a mold comprising two shells delimiting a sealed molding cavity
  • a BMG melting device comprising:
  • a sectorized cold crucible said melting crucible, arranged vertically comprising hollow sectors consisting of an electrically conductive and non-magnetic material electrically insulated from each other;
  • which device comprises a sectorized piston comprising hollow sectors consisting of an electrically conductive and non-magnetic material isolated electrically from each other, closing the melting crucible at one end thereof;
  • d. means for communicating the contents of the melting crucible with the molding cavity and performing the casting of the BMG.
  • the vertical arrangement of the melting crucible with respect to the mold facilitates the automation of the casting process by making it possible to take advantage of the gravity in the implementation of several operations.
  • the sectorized crucible makes it possible to keep the molten material away from the walls of the crucible and thus to prevent any contamination thereof, whereas the use of a sectorized piston makes it possible to put the charge in fusion in levitation or pseudo-levitation. relative to said piston by the Laplace force components of the magnetic field created by the circulation of currents induced on the sectors of said piston.
  • the device that is the subject of the invention makes it possible to use BMG comprising reactive components such as titanium or zirconium may interact with a crucible made of refractory material.
  • the load does not cool in contact with the piston and does not create a wolf.
  • the means for communicating the contents of the melting crucible with the molding cavity comprise a device for vertical displacement of the piston.
  • said piston allows the casting to be carried out by gravity or by injection, always without contact of the piston with the molten charge.
  • the melting crucible is placed above the molding cavity and the piston moves downwards.
  • the melting crucible is placed below the molding cavity and the piston moves upwards.
  • the device of the invention comprises a channel, said injection crucible between the melting crucible and the molding cavity.
  • This embodiment makes it possible to place the fusion device on the outside of the shells. passing through the shell of the melting device to the cavity being formed by the injection crucible.
  • the device of the invention comprises a coil surrounding the injection crucible and supplied with high frequency current.
  • the induction effect produced by this coil makes it possible to keep the filler in temperature until it enters the molding cavity and to move said melt load away from the walls of the injection crucible.
  • the device comprises, according to an embodiment compatible with the preceding, an injection coil and means for its electrical supply, capable of producing an electromagnetic force for the injection of the molten material contained therein. in the melting crucible in the molding cavity.
  • This embodiment allows Laplace forces to be used by said coil to inject molten material into the mold without contact with said material at the time of injection.
  • the injection coil is a flat coil fed by a capacitor discharge.
  • This embodiment uses a configuration similar to what is used in magnetoforming to apply a force to the molten material directing it to the molding cavity.
  • the injection coil comprises a nested coil in the coil forming the fusion coil, said injection coil being powered by a high frequency alternating current out of phase with the alternating current supplying the coil. fusion coil so as to create a slippery field.
  • the combined action of the coil forming the melting inductor and said injection coil creates a sliding field promoting the injection of the material into the molding cavity.
  • the sectors of the melting crucible and the piston are made of stainless steel, thus providing a greater durability than copper, generally used for this purpose and also allowing to lighten the piston for a faster movement thereof during the casting process.
  • the mold comprises a heating means by induction of the molding cavity.
  • Said heating means makes it possible to rapidly bring the molding cavity to a suitable temperature at the moment of casting, in order to promote the filling of said cavity.
  • the mold of the device which is the subject of the invention furthermore comprises means for cooling the molding cavity.
  • the cycle times are reduced.
  • the invention also relates to a method implementing any of the embodiments of the device according to the invention, for molding a part from a BMG and comprising the steps of:
  • the melting device of the molding device which is the subject of the invention makes it possible to keep the filler at high temperature until injection, while the preheating of the mold ensures a good flow of the material during casting and a full filling of the impression.
  • the sectorized piston of the device object of the invention avoids the creation of a wolf on the surface of said piston during melting and casting and thus the cleaning operations of said piston.
  • the use of induction heating of the mold allows it to bring it quickly to the temperature suitable for casting and thus quickly chain cycles while ensuring efficient and rapid cooling of the workpiece after casting.
  • steps iii) and iv) are performed in parallel, so as to further reduce the cycle time.
  • FIG. 1 shows, in a sectional view of a block diagram of an embodiment of the device according to the invention, with a melting device placed above the mold, during the melting of the load;
  • FIG. 2 shows the device of Figure 1 at the start of casting
  • FIG. 3 is a block diagram, in a sectional life, of another embodiment of the device of the invention wherein the melter is placed below the mold;
  • FIG. 4 shows schematically in a perspective view and in partial section, an embodiment of the sectorized piston device object of the invention
  • FIG. 5 is a perspective view of an embodiment of a sector of the piston as shown in Figure 4;
  • FIG. 6 shows a synopsis of the method which is the subject of the invention.
  • FIG. 7 shows, in a partial view of the melting device, corresponding to the section shown in FIGS. 1 and 2, an exemplary embodiment of the device according to the invention comprising an injection piston.
  • the drawings of FIGS. 1 to 5 and 7 are representations of principle of the device which is the subject of the invention, intended to understand the operation of the essential means of the invention.
  • the y axis represents the vertical direction from bottom to top. To avoid overloading the figures, the power supply means of the inductors and coils have not been shown.
  • the device is shown during the BMG melting phase.
  • the device according to the invention comprises a mold in two parts (101, 102), or more, separable which, closed, define a tight molding cavity (1 10).
  • Sealing means (103) make it possible to seal the cavity under a primary vacuum, and under a slight overpressure of a neutral gas.
  • the two parts (101, 102) of the mold are for example fixed on the plates of a press to allow the opening and closing of the mold.
  • At least one (101) of the mold parts comprises means for heating the surfaces of the molding cavity (1 10), for example in the form of inductors (120) extending into ducts in the mold.
  • Inductive ledits are for example constituted by copper tubes or multi-stranded copper cables of section adapted to the electric induction current used.
  • the inductors (120) are connected to a high frequency current generator (not shown).
  • the two parts (101, 102) of the mold are made of a metallic material, for example steel or copper.
  • the surfaces of the ducts receiving the inductors (120) are coated with a ferromagnetic material, for example with nickel.
  • the thickness of the coating layer is a function of the heating power and the frequency of the current supplying the inductors, it is typically between 0.1 mm and 1 mm.
  • the heating inductors of the mold are powered by an alternating current of a frequency of between 10 KHz and 200 KHz by a generator with a power of between 10 KW and 100 KW without these values being limiting.
  • at least one of the mold parts comprises channels (125) for circulating a coolant and cooling the molding cavity (1 10).
  • the coolant is a liquid such as water or oil, or a gas.
  • the cooling channels (125) are placed between the molding cavity and the inductors, as close as possible to the surface of the molding cavity so as to ensure rapid cooling and a high rate of amorphization.
  • the position of the inductors, the heating power installed, the number and the distribution of the cooling channels as well as the coolant flow required for cooling, are for example determined by numerical simulation of the heating and cooling cycles of the mold.
  • Means (130) are provided for drawing the mold cavity to vacuum and introducing a neutral gas, such as argon so as to create therein a slight overpressure with respect to the atmospheric pressure.
  • a neutral gas such as argon
  • Said mold comprises a melting device (150), located above the mold, according to this exemplary embodiment.
  • This device is in communication with the molding cavity and confined in an enclosure (155) sealingly assembled with the mold so that the vacuum draw of the molding cavity also places the melter under vacuum, and that it is also in slight overpressure in the case of the injection of a neutral gas.
  • This melting device (150) comprises a melting crucible (160) surrounded by a generator-fed fusion coil (165) current at very high frequency.
  • Said melting crucible (160) is a sectorized crucible of generally cylindrical shape comprising a plurality of hollow sectors (161) extending along the axis of the cylinder and electrically insulated from each other.
  • Said sectors consist of a non-magnetic metallic material, for example copper or stainless steel.
  • Cooling means (170) make it possible to circulate a heat-transfer fluid in said hollow sectors in order to cool them.
  • the portion of the melting crucible communicating with the molding cavity (1 10) is, during melting, closed by a piston (180), connected to an operating rod (185) to retract it.
  • the device comprises for this purpose means (186) acting on the actuating rod, such as a rack pinion system, an electric jack, a linear motor or any other means known in the prior art for effecting the displacement of the piston and of the operating rod.
  • Said piston (180) is, during the melting of the material (190) a sole vis-à-vis the melting crucible (160).
  • said piston (180) is sectored and comprises, similarly to the melting crucible, a plurality of hollow sectors, made of an electrically conductive metal material and electrically insulated from each other. Means (175) make it possible to circulate fluid in the hollow sectors of the piston, for example through the operating rod so as to cool them.
  • the sectorized configuration and the electrically conductive nature of the sectors of the piston (180) allows, by the circulation of currents induced in its sectors during the supply of the coil (165) of fusion, to create Laplace forces, repelling the molten charge of the piston surface (180) in the melting crucible.
  • the melt load (190) is levitated or pseudo-electromagnetic levitation in the crucible, without contact with the walls.
  • the arrangement of the melting crucible in a vertical position above the mold makes it possible to load the crucible by gravity, the mold being closed.
  • the filler consists of granules of the constituent material of BMG, or of several materials whose alloy constitutes BMG, the alloy being produced during melting.
  • the charge consists of a single solid piece, such as a cylinder.
  • the solid charge is introduced into the melting crucible, the latter being closed at its lower end by the piston (180) and the mold being closed, the assembly being drawn to vacuum, the fusion coil (165) is supplied with very high frequency current.
  • a neutral gas is introduced into the molding cavity and into the enclosure comprising the melting crucible. The induced currents heat said charge that melt.
  • the sectorized nature of the crucible and the resulting magnetic field removes the molten charge from the walls of the crucible, as well as the walls of the piston (180) itself sectorized.
  • the melting of the charge is extremely fast because of its direct heating by induction.
  • the Laplace forces generated maintain the molten charge spaced from the walls of the crucible and the piston, the circulation of the currents induced in the molten charge, also ensure a mixing of said charge, which ensures its homogeneity particularly when the latter it comprises several alloy elements of different specific masses.
  • a flat coil (166) connected to a series of capacitors and placed just above the melting crucible.
  • FIG 2 the device of Figure 1, is shown during the injection phase.
  • the molding cavity is preheated by means of the inductors (120) to bring it to a temperature equal to or slightly less than the glass transition temperature BMG.
  • the piston (180) is retracted into the mold by moving it downwards by its operating rod (185) thus releasing the passage to the molding cavity (1 10).
  • the melt load (190) then flows by gravity into the molding cavity.
  • the surfaces of said molding cavity having been preheated, the molten material flows into the cavity while maintaining sufficient fluidity to fill it completely.
  • the cooling of the molding cavity is achieved by circulating a coolant in the channels (125) of cooling.
  • An electronic control device (not shown) is used to synchronize and sequence the feed of the fusion coil, the heating of the molding cavity, the retraction of the piston, the stop of the supply of the fusion coil and cooling the mold.
  • the flat coil (166) is powered by discharging the capacitors synchronously with the descent of the piston (180). Feeding said flat coil (166) creates an electromagnetic force acting on the molten charge, which pushes said charge toward the molding cavity.
  • an injection coil (266) is nested in the melting coil and fed at the moment of injection by a high-frequency alternating current simultaneously with the supply of the coil (165).
  • two coils (165, 266) being fed by alternating currents out of phase, so as to create a sliding field which tends to eject the molten charge from the melting crucible to the molding cavity.
  • injection coil is, according to one embodiment, complementary to the use of the flat coil, for performing the injection of the molten charge into the molding cavity.
  • the melting crucible (160) is extended by a crucible or injection cylinder (260) which is advantageously surrounded by a coil (265) fed by a high frequency current and forming an inductor.
  • Said injection crucible is for example made of a refractory material transparent to the electromagnetic field, without this configuration being limiting.
  • This injection crucible makes it possible to pass through the thickness of the portion of the mold separating the melting crucible (160) from the molding cavity, while keeping the hot melt load sufficiently hot.
  • the power supply of the coil (265) surrounding the injection crucible (260) has the effect, on the one hand, of moving the melt load (190) away from the walls of the injection crucible (260). and secondly to maintain, by the inductive heating effect, the molten charge at a sufficient temperature before entering the molding cavity.
  • Feeding of the injection inductor, the flat coil (166), the injection coil (266), the coil (265) surrounding the injection crucible (260) and the movement of the piston are controlled, sequenced and synchronized, by electronic means, for example by a programmable controller (not shown).
  • the device of the invention comprises a piston (760) adapted to push the load (190) in the molding cavity.
  • Said piston comprises a head (762) and an operating rod (761) for its vertical displacement, said displacement being achieved by an actuator, electric, hydraulic or pneumatic acting on said rod (761), by a rack pinion system, a linear motor or any other suitable means.
  • the head (762) of the piston is, according to exemplary embodiments, a solid head or a hollow head, made of a ferromagnetic material or coated with a ferromagnetic material.
  • said head (762) moves axially in the melting crucible, where it is subjected to the effect of the induced currents generated by the inductor (165) of fusion.
  • the response of the material constituting the piston head or its coating to the induced currents causes rapid heating of the surface of said head.
  • said head (762) is further cooled by the circulation of a heat transfer fluid circulated by means (not shown) between the operating rod (761) and the piston head.
  • the design of the piston head, its constitution and the possible cooling thereof, make it possible to bring the surface of the piston head into contact with the molten charge (190) during casting, at a temperature such as that it is high enough not to create a wolf on the surface of said head and low enough not to cause gluing phenomenon or welding of the melt on said head.
  • the device which is the subject of the invention allows simple gravity casting and comprises for this purpose only the segmented piston (180), or a gravity-assisted casting.
  • a magnetic field a combination comprising the segmented piston (180) associated with the injection coil (266) and / or the flat coil (166).
  • the device according to the invention comprises the segmented piston (180) retractable acting as sole in the lower part of the melting crucible and an injection piston (760) pushing the load in the 'footprint.
  • the device according to the invention further comprises an injection coil (266) adapted to create a sliding magnetic plate.
  • FIGS. 1 and 2 show the device forming the subject of the invention in an embodiment comprising an injection crucible and coils (166, 266) making it possible to promote the injection of the molten charge into the molding cavity
  • FIGS. 1 and 2 show the device forming the subject of the invention in an embodiment comprising an injection crucible and coils (166, 266) making it possible to promote the injection of the molten charge into the molding cavity
  • these characteristics are improvements and are not indispensable to the operation of the device which is the subject of the invention, the simple displacement of the piston (180) making it possible to carry out gravity casting, the latter possibly being assisted by the mechanical effect of an injection piston.
  • the melting device is placed, for example, directly in the lower part (102) of the mold, similarly to the embodiment shown in FIG. 3, but with the piston (180) positioned under the melting crucible, on the side of the molding cavity (1 10).
  • the melting device (350) is positioned vertically under the molding cavity (310) of the mold.
  • the mold comprises at least two separable parts (301, 302) and associated sealing means (303), so that, when the mold is closed, said portions define between them a cavity molding (310) tight, capable of being drawn by vacuum by appropriate means, and to be filled with a neutral gas in slight overpressure.
  • the two parts (301, 302) of the mold are for example mounted on the plates of a press, which allows the opening and closing of the mold.
  • At least one (301) of the mold parts advantageously comprises means for heating the surfaces of the molding cavity (310), for example in the form of inductors (320) extending in ducts formed in the mold.
  • At least one of the mold parts advantageously comprises cooling channels (325) (325) for rapidly cooling the molding cavity (310).
  • the vertical arrangement of the melting device (350) in the mold allows the charge to be delivered to the gravity melter, open mold.
  • the melting device (350) comprises a sectorized and cooled melting crucible (360) comprising hollow sectors, for example made of stainless steel and electrically insulated from each other.
  • the melting crucible (360) is in communication with the molding cavity (310) at its upper end, and closed at its lower end by a sectorized piston (380).
  • Said sectorized piston is fixed on an operating rod (385) and operating means (386) allow to move vertically said operating rod (386) and therefore said piston (380).
  • the melter (350) is inserted into a sealed enclosure (355).
  • the sectorized piston (380) is moved upwards by the means (386) acting on the operating rod (385), which has the effect of pushing the load (190) into the molding cavity, always without contact between said load and said piston (380).
  • the cooling of the piston (380) is controlled so that the temperature at the surface of the piston likely to come into contact with the melt load in pseudo-levitation is sufficient to prevent the creation of a wolf, but not too high. to avoid sticking or welding the molten charge to the surface of said piston.
  • the surfaces of the molding cavity (310) Prior to casting, the surfaces of the molding cavity (310) are brought to a temperature equal to or slightly less than the glass transition temperature of the BMG used, by the high frequency current supply of the inductors (320), mold, so as to promote a uniform filling of the impression. Then, the molding cavity is cooled rapidly, by the circulation of a coolant in the cooling channels (125) of the mold. The mold is then opened, the part demolded and the cycle resumes.
  • the device according to the invention comprises an injection crucible placing the melting crucible in communication with the molding cavity, and a coil surrounding said injection crucible making it possible to maintain the temperature of the molten charge during its path between the melting crucible and the molding cavity.
  • the latter comprises several parallel melting and injection devices to ensure better filling of the impression.
  • the piston (185, 385) comprises a plurality of hollow sectors (481, ..., 486) made of stainless steel or of another electrically conductive and non-magnetic material, perforated with their two lateral ends and electrically insulated from each other by a layer of insulating material, such as a ceramic. Said layer of insulating material also provides sealing between the sectors.
  • the sectors are connected to the operating rod (185, 385) via a water box (490) made of an electrically insulating material. Said water box is in hydraulic communication with fluid circulation means (not shown) via an orifice (491) formed in the operating rod, and distributes the coolant in all sectors (481, 486) to ensure their cooling.
  • said sector comprises on their underside, an orifice (493) bringing into contact the interior of the sector with the water box (490).
  • a second orifice (494) at the radially inner end of the sector communicates the interior of each sector with an orifice (492) made in the actuating rod, itself in hydraulic communication with the circulation means, which allows the circulation of a coolant in the sectors of the piston.
  • this device comprises a first embodiment step (610) of loading the melting crucible.
  • This step is performed closed mold or open mold in the case where the melting device is placed above the mold and open mold when the crucible is placed below the mold
  • a closing step (620) the mold is closed and the cavity and the melting crucible are drawn to vacuum.
  • a neutral gas such as argon is injected into the molding cavity and the enclosure of the melting device, said gas being slightly overpressured relative to the atmospheric pressure.
  • a melting step (630) the charge is melted by feeding the fusion coil of the melter.
  • the mold is preheated by the inductors during a heating step (640) to protect the surfaces of the molding cavity at a temperature equal to or slightly less than the glass transition temperature of the BMG. Induction heating achieves such a temperature in 1 minute or less depending on the size of the impression.
  • a casting step (650) the piston is moved up or down, according to the embodiment of the mold, and the injection coil is fed, as well as the coil surrounding the injection crucible, if the device is provided to fill the molding cavity preheated with the melt. Depending on the characteristics of the operation, the heating of the molding cavity is maintained or not during the casting step.
  • a cooling step (660) the supply of the inductors of the mold is stopped and the coolant coolant is circulated in the cooling channels of the mold, providing rapid cooling of the part, until the it reaches its demolding temperature.
  • a demolding step (670) the cooled mold is opened, the part is demolded, and the cycle resumes.
  • the method and the device which are the subject of the invention make it possible to produce high-speed amorphous metal parts, more particularly thin parts, while ensuring a high degree of amorphization thereof.

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Abstract

L'invention concerne un dispositif pour la réalisation d'une pièce par moulage d'un BMG, comprenant : a. un moule comprenant deux coquilles délimitant une cavité moulante étanche; b. un dispositif de fusion du BMG comprenant : bi. un creuset froid sectorisé, dit creuset de fusion, disposé verticalement comprenant des secteurs creux constitués d'un matériau électriquement conducteur et non magnétique isolés électriquement les uns des autres; bii. un inducteur sous la forme d'une bobine entourant ledit creuset de fusion pour le chauffage de son contenu; biii. un moyen de génération de courant à très haute fréquence pour alimenter l'inducteur; caractérisé en ce qu'il comprend un piston sectorisé comprenant des secteurs creux constitués d'un matériau électriquement conducteur et non magnétique isolés électriquement les uns des autres, fermant le creuset de fusion à une de ses extrémités.

Description

PROCÉDÉ ET DISPOSITIF DE MOULAGE NOTAMMENT D'UN VERRE
MÉTALLIQUE
L'invention concerne un procédé et un dispositif pour le moulage, notamment d'un verre métallique. L'invention est plus particulièrement, mais non exclusivement, adaptée à la fabrication de coques pour des matériels électroniques, plus particulièrement destinées à des téléphones intelligents.
En effet, les verres métalliques, se présentant sous la forme d'un métal amorphe, non cristallisé ou partiellement cristallisé, qui du fait de l'absence de joints de grains dans la structure du métal, présentent des caractéristiques de dureté, d'élasticité et de résistance à la corrosion, qui les rendent particulièrement performants pour ce type d'application et rendent inutiles les coques de protection dans lesquelles les consommateurs enveloppent leur téléphone intelligent pour le protéger des chocs, des rayures et le rendre étanche.
Selon les techniques de l'art antérieur, de telles coques sont obtenues à partir d'une feuille d'un alliage métallique amorphe, laquelle est mise en forme par un procédé de moulage par soufflage, similaire aux procédés de mise en forme du verre, dans une matrice à la forme de ladite coque après avoir chauffé ladite feuille à une température relativement basse comparativement à la température qu'il serait nécessaire d'atteindre avec le même alliage métallique cristallisé pour obtenir un formage équivalent.
Selon un autre mode de mise en oeuvre, les procédés de l'art antérieur, utilisent une technique de moulage sous vide d'un alliage de verre métallique massif (« Bulk Metallic Glass » ou BMG). L'utilisation d'un BMG permet de réduire la vitesse critique de refroidissement permettant la solidification du matériau en un matériau amorphe. Pour assurer un faible taux de cristallinité ou un taux élevé d'amorphisation, le matériau doit être moulé dans des conditions qui évitent sa contamination par des impuretés, notamment par l'azote et l'oxygène. À cette fin, les opérations de fusion et de coulée sont réalisées sous vide ou sous atmosphère neutre. Le matériau est mis en fusion dans un creuset au moyen d'un chauffage par induction, puis injecté dans le moule. Les techniques de l'art antérieur utilisent soit un creuset constitué d'un matériaux transparent au champ magnétique, telle qu'un creusent en zircone, ou un creuset froid sectorisé en cuivre.
Un canal, généralement dénommé creuset d'injection ou de coulée, permet de mettre en communication le contenu de creuset de fusion avec l'empreinte du moule tout en conservant l'ensemble sous vide. La communication entre le creuset de fusion et le creuset d'injection doit être fermée pendant l'opération de fusion, puis ouverte pour permettre la coulée, ce qui est réalisé par des moyens de fermeture mobiles, tels qu'une trappe, un piston ou un doigt mobile. Lorsque le creuset de fusion est placé verticalement, par exemple au-dessus du moule, et que la gravité tend à rapprocher la charge en fusion des moyens de fermeture mobiles, ceux-ci doivent être refroidis, afin notamment de ne pas endommager les moyens assurant l'étanchéité entre lesdits moyens de fermeture mobiles et le creuset d'injection, La charge en fusion se refroidi au contact des moyens de fermeture mobile et lors de chaque coulée, il subsiste un loup de matière à la surface de ceux-ci, lequel est susceptible de gêner le fonctionnement du dispositif et doit être éliminé.
Le creuset en céramique présente en outre l'inconvénient de réagir avec certains alliages.
Le creuset froid sectorisé permet d'éloigner la charge mise en fusion des parois du creuset par les forces magnétiques de Laplace, mais ne résout pas le problème de la création d'un loup. Ainsi, selon l'art antérieur, ledit creuset est placé horizontalement, et les forces de Lapace compensent la gravité, la charge se trouvant en lévitation ou pseudo-lévitation à l'intérieur du tube constitué par le creuset. L'injection de la matière dans le moule implique l'utilisation d'un piston refroidi, se déplaçant dans le creuset et qui pousse la charge dans la cavité moulante. Alternativement, le creuset est placé verticalement et est fermé par une sole amovible et refroidie, constituant une trappe entre le creuset de fusion et le moule. Dans ces réalisations de l'art antérieur la matière en fusion se refroidit au contact du piston ou de la trappe et il subsiste également un loup (skull) de matière au contact de ceux-ci, lequel doit être éliminé de manière périodique, voire lors de chaque coulée.
Le document JPH 0917421 19 divulgue un creuset et un moule adaptés au moulage en coquille d'un alliage d'aluminium, comprenant un creuset disposé horizontalement, et dans lequel un matériau préalablement mis en fusion est déversé.
Le document US2015/298296 décrit un dispositif et un procédé pour le moulage d'un BMG comprenant un creuset de fusion constitué d'un matériau transparent aux champs magnétiques, ledit BMG étant injecté en fusion dans le moule par l'intermédiaire d'un piston refroidi.
Le document US 5156 202 décrit un moule sectorisé qui est fermé dans sa partie inférieure par un plaque sectorisée et refroidie, comprenant une ouverture en son centre. Un métal en fusion est introduit par la partie supérieure du moule fermé dans sa partie inférieure par la plaque sectorisée. Un piston pousse le matériau contre les parois du moule et de la plaque sectorisée au contact desquels il se refroidi. Le moule est entouré d'une bobine alimentée en courant alternatif à haute fréquence.
Le document WO2013/190020 décrit un moule comprenant des moyens de chauffage par induction et des moyens de refroidissent.
Le document US2002/122456 décrit un four de fusion comprenant un creuset sectorisé entouré d'une bobine d'induction.
L'invention vise à résoudre les inconvénients de l'art antérieur et concerne à cette fin un dispositif pour la réalisation d'une pièce par moulage d'un BMG, lequel dispositiif comprend :
a. un moule comprenant deux coquilles délimitant une cavité moulante étanche ;
b. un dispositif de fusion du BMG comprenant :
bi. un creuset froid sectorisé, dit creuset de fusion, disposé verticalement comprenant des secteurs creux constitués d'un matériau électriquement conducteur et non magnétique isolés électriquement les uns des autres ;
bii. un inducteur sous la forme d'une bobine entourant ledit creuset de fusion pour le chauffage de son contenu ;
biii. un moyen de génération de courant à très haute fréquence pour alimenter l'inducteur;
lequel dispositif comprend un piston sectorisé comprenant des secteurs creux constitués d'un matériau électriquement conducteur et non magnétique isolés électriquement les uns des autres, fermant le creuset de fusion à une de ses extrémités ;
d. des moyens pour mettre en communication le contenu du creuset de fusion avec la cavité moulante et réaliser la coulée du BMG.
Ainsi, la disposition verticale du creuset de fusion par rapport au moule, facilite l'automatisation du procédé de coulée en permettant de profiter de la gravité dans la mise en oeuvre de plusieurs opérations. Le creuset sectorisé permet d'éloigner la matière en fusion des parois du creuset et ainsi d'éviter toute contamination de celle- ci, alors que l'utilisation d'un piston sectorisé permet de mettre la charge en fusion en lévitation ou pseudo-lévitation par rapport audit piston par les composantes des forces de Laplace du champ magnétique créé par la circulation des courants induits sur les secteurs dudit piston. La charge en fusion n'étant pas en contact ni avec le creuset de fusion, ni avec le piston lors de la fusion et de la coulée, le dispositif objet de l'invention permet la mise en oeuvre de BMG comprenant des composants réactifs comme le titane ou le zirconium susceptibles d'interagir avec un creuset en matériau réfractaire. La charge ne se refroidit pas au contact du piston et ne crée pas de loup.
L'invention est avantageusement mise en oeuvre selon les modes de réalisation et les variantes exposés ci-après, lesquels sont à considérer individuellement ou selon toute combinaison techniquement opérante.
Avantageusement, les moyens pour mettre en communication le contenu du creuset de fusion avec la cavité moulante, comprennent un dispositif de déplacement vertical du piston. Ainsi, du fait de la disposition verticale du creuset de fusion par rapport au moule, ledit piston perrmet de réaliser la coulée par gravité ou par injection, toujours sans contact du piston avec la charge en fusion.
Ainsi, selon un premier mode de réalisation, le creuset de fusion est placé au- dessus de la cavité moulante et le piston se déplace vers le bas. Et selon un deuxième mode de réalisation le creuset de fusion est placé en-dessous de la cavité moulante et que le piston se déplace vers le haut.
Avantageusement, le dispositif objet de l'invention comprend un canal, dit creuset d'injection entre le creuset de fusion et la cavité moulante. Ce mode de réalisation permet de placer le dispositif de fusion à l'extérieur des coquilles, la traversée de la coquille du dispositif de fusion vers l'empreinte étant réalisée par ce creuset d'injection.
Avantageusement, le dispositif objet de l'invention comprend une bobine entourant le creuset d'injection et alimentée en courant à haute fréquence. L'effet d'induction produit par cette bobine permet de conserver la charge en fusion en température jusqu'à son entrée dans la cavité moulante ainsi que d'éloigner ladite charge en fusion des parois du creuset d'injection.
Avantageusement, le dispositif objet de l'invention comprend, selon un mode de réalisation compatible avec les précédents, une bobine d'injection et des moyens pour son alimentation électrique, aptes à produire une force électromagnétique pour l'injection de la matière en fusion contenue dans le creuset de fusion dans la cavité moulante. Ce mode de réalisation permet d'utiliser les forces de Laplace par ladite bobine afin d'injecter la matière en fusion dans le moule sans contact avec ladite matière au moment de l'injection.
Selon une première variante, la bobine d'injection est une bobine plate alimentée par une décharge de condensateurs. Ce mode de réalisation utilise une configuration similaire à ce qui est utilisé en magnétoformage pour appliquer sur la matière en fusion une force la dirigeant vers la cavité moulante.
Selon une deuxième variante, compatible avec la première, la bobine d'injection comprend une bobine imbriquée dans la bobine formant la bobine de fusion, ladite bobine d'injection étant alimentée par un courant alternatif à haute fréquence déphasé par rapport au courant alternatif alimentant la bobine de fusion de sorte à créer un champ glissant. Ainsi l'action conjuguée de la bobine formant l'inducteur de fusion et de ladite bobine d'injection crée un champ glissant favorisant l'injection de la matière dans la cavité moulante.
Avantageusement, les secteurs du creuset de fusion et du piston son constitués d'acier inoxydable, procurant ainsi une pus grande durabilité que le cuivre, généralement utilisé à cette fin et permettant aussi d'alléger le piston pour un déplacement plus rapide de celui-ci lors du processus de coulée.
Avantageusement, le moule comprend un moyen de chauffage par induction de la cavité moulante. Ledit moyen de chauffage permet de porter rapidement la cavité moulante à une température adéquate au moment de coulée, ceci afin de favoriser le remplissage de ladite cavité.
Avantageusement, le moule du dispositif objet de l'invention comprend de plus, un moyen de refroidissement de la cavité moulante. Ainsi, les temps de cycle sont réduits.
L'invention concerne également un procédé mettant en oeuvre l'un quelconque des modes de réalisation du dispositif objet de l'invention, pour le moulage d'une pièce à partir d'un BMG et comprenant les étapes consistant à :
i. charger de creuset ;
ii. fermer le moule et tirer la cavité moulante au vide ;
iii. porter la charge en fusion ;
iv. préchauffer le moule au moyen du circuit d'induction du moule ; v. réaliser la coulée en déplaçant le piston sectorisé ;
vi. refroidir le moule par la circulation d'un fluide caloporteur dans le circuit d'induction du moule ;
vii. ouvrir le moule et démouler la pièce.
Le dispositif de fusion du dispositif de moulage objet de l'invention, permet de conserver la charge en fusion à haute température jusqu'à l'injection, alors que le préchauffage du moule assure un bon écoulement de la matière lors de la coulée et un remplissage total de l'empreinte. Le piston sectorisé du dispositif objet de l'invention évite la création d'un loup à la surface dudit piston lors de la fusion et de la coulée et ainsi les opérations de nettoyage dudit piston. L'utilisation du chauffage par induction du moule permet de porter celui-ci rapidement à la température adéquate pour la coulée et ainsi d'enchaîner rapidement les cycles tout assurant un refroidissement efficace et rapide de la pièce après la coulée.
Avantageusement, les étapes iii) et iv) sont réalisée de manière parallèle, de sorte à réduire encore le temps de cycle.
L'invention est exposée ci-après selon ses modes de réalisation préférés, nullement limitatifs, et en référence aux figures 1 à 7, dans lesquelles :
- la figure 1 représente, selon une vue en coupe un schéma de principe d'un mode de réalisation du dispositif objet de l'invention, avec un dispositif de fusion placé au-dessus du moule, au cours de la fusion de la charge ;
- la figure 2 montre le dispositif de la figure 1 en début de coulée ; - la figure 3 est un schéma de principe, selon une vie en coupe, d'un autre mode de réalisation du dispositif objet de l'invention dans lequel le dispositif de fusion est placé en-dessous du moule ;
- la figure 4 représente schématiquement selon un vue en perspective et en coupe partielle, un exemple de réalisation du piston sectorisé du dispositif objet de l'invention ;
- la figure 5 est une vue en perspective d'un exemple de réalisation d'un secteur du piston tel que représenté figure 4 ;
- la figure 6 montre un synopsis du procédé objet de l'invention ;
- et la figure 7, représente selon une vue partielle du dispositif de fusion, correspondant à la coupe représentée figures 1 et 2, un exemple de réalisation du dispositif objet de l'invention comprenant un piston d'injection. Les dessins des figures 1 à 5 et 7 sont des représentations de principe du dispositif objet de l'invention, destinées à la compréhension du fonctionnement des moyens essentiels de l'invention. Sur toutes ces figures, l'axe y représente la direction verticale de bas en haut. Pour ne pas surcharger les figures, les moyens d'alimentation des inducteurs et des bobines n'ont pas été représentés.
Figure 1 , le dispositif est représenté pendant la phase de fusion du BMG. Selon un exemple de réalisation, le dispositif objet de l'invention comprend un moule en deux parties (101 , 102), ou plus, séparables qui, fermées, définissent une cavité moulante (1 10) étanche. Des moyens d'étanchéité (103) permettent d'assurer l'étanchéité de la cavité sous un vide primaire, et sous une légère surpression d'un gaz neutre. Les deux parties (101 , 102) du moule sont par exemple fixées sur les plateaux d'une presse afin de permettre l'ouverture et la fermeture du moule. Au moins l'une (101 ) des parties du moule comprend des moyens de chauffage des surfaces de la cavité moulante (1 10), par exemple sous la forme d'inducteurs (120) s'étendant dans des conduits pratiqués dans le moule. Ledits inducteurs sont par exemple constitués par des tubes de cuivre ou des câbles de cuivre multibrin de section adaptée au courant électrique d'induction utilisé. Les inducteurs (120) sont connectés à un générateur de courant à haute fréquence (non représenté). Les deux parties (101 , 102) du moule sont constituées d'un matériau métallique, par exemple en acier ou en cuivre. Dans le cas où le matériau constituant lesdites parties du moule n'est pas ferromagnétique, par exemple si ces parties sont constituées de cuivre, les surfaces des conduits recevant les inducteurs (120) sont revêtues d'un matériau ferromagnétique, par exemple par du nickel. L'épaisseur de la couche de revêtement est fonction de la puissance de chauffage et de la fréquence du courant alimentant les inducteurs, elle est typiquement comprise entre 0, 1 mm et 1 mm. Lorsque lesdits inducteurs (120) sont alimentés par un courant alternatif à haute fréquence, ils chauffent les parois des conduits, et la chaleur ainsi produite se propage par conduction jusqu'aux surfaces de la cavité moulante (1 10). Typiquement les inducteurs de chauffage du moule sont alimentés par un courant alternatif d'une fréquence comprise entre 10KHz et 200KHz par un générateur d'une puissance comprise entre 10 KW et 100 KW sans que ces valeurs ne soient limitatives, Selon un exemple de réalisation, au moins une des parties du moule comprend des canaux (125) pour la circulation d'un fluide caloporteur et le refroidissement de la cavité moulante (1 10). Selon des exemples de réalisation, le fluide caloporteur est un liquide tel que de l'eau ou de l'huile, ou un gaz. Selon cet exemple de réalisation, les canaux de refroidissement (125) sont placés entre la cavité moulante et les inducteurs, au plus près de la surface de la cavité moulante de sorte à en assurer un refroidissement rapide et un fort taux d'amorphisation. La position des inducteurs, la puissance de chauffage installée, le nombre et la répartition des canaux de refroidissement ainsi que le débit de fluide caloporteur nécessaire au refroidissement, sont par exemple déterminés par simulation numérique des cycles de chauffage et de refroidissement du moule.
Des moyens (130) permettent de tirer la cavité moulante au vide et d'y introduire un gaz neutre, tel que de l'argon de sorte à créer dans celle-ci une légère surpression par rapport à la pression atmosphériq ue.
Ledit moule comprend un dispositif de fusion (150), situé au dessus du moule, selon cet exemple de réalisation. Ce dispositif est en communication avec la cavité moulante et confiné dans une enceinte (155) assemblée de manière étanche avec le moule de sorte que le tirage au vide de la cavité moulante place également le dispositif de fusion sous vide, et qu'il soit également en légère surpression dans le cas de l'injection d'un gaz neutre. Ce dispositif de fusion (150) comprend un creuset de fusion (160) entouré par une bobine (165) de fusion alimentée par un générateur de courant à très haute fréquence. Ledit creuset de fusion (160) est un creuset sectorisé, de forme générale cylindrique comprenant une pluralité de secteurs creux (161 ), s'étendant le long de l'axe du cylindre et isolés électriquement les uns des autres. Lesdits secteurs sont constitués d'un matériau métallique non magnétique, par exemple du cuivre ou un acier inoxydable. Des moyens de refroidissement (170) permettent de faire circuler un fluide caloporteur dans lesdits secteurs creux, afin de les refroidir. Selon un exemple de réalisation, la partie du creuset de fusion communiquant avec la cavité moulante (1 10) est, pendant la fusion, fermée par un piston (180), connecté à une tige de manoeuvre (185) pour escamoter celui-ci. Le dispositif comprend à cette fin des moyens (186) agissant sur la tige de manoeuvre, tels qu'un système pignon crémaillère, un vérin électrique, un moteur linéaire ou tout autre moyen connu de l'art antérieur pour réaliser le déplacement du piston et de la tige de manoeuvre.
Ledit piston (180) constitue, au cours de la fusion de la matière (190) une sole vis-à-vis du creuset de fusion (160). Toutefois, ledit piston (180) est sectorisé et comprend, de manière similaire au creuset de fusion, une pluralité de secteurs creux, constitués d'un matériau métallique électriquement conducteur et isolés électriquement les uns des autres. Des moyens (175) permettent de réaliser une circulation de fluide dans les secteurs creux du piston, par exemple à travers la tige de manoeuvre de sorte à refroidir ceux-ci. À la différence d'une simple sole, la configuration sectorisée et la nature électriquement conductrice des secteurs du piston (180), permet, par la circulation des courants induits dans ses secteurs lors de l'alimentation de la bobine (165) de fusion, de créer des forces de Laplace, repoussant la charge en fusion de la surface du piston (180) se trouvant dans le creuset de fusion. Ainsi, la charge en fusion (190) se trouve en lévitation ou en pseudo-lévitation électromagnétique dans le creuset, sans contact avec les parois.
La disposition du creuset de fusion en position verticale au-dessus du moule, permet de charger le creuset par gravité, le moule étant fermé. La charge est constituée de granules du matériau constitutif du BMG, ou de plusieurs matériaux dont l'alliage constitue le BMG, l'alliage étant réalisé pendant la fusion. Selon une autre variante, la charge est constitué d'un seul lopin solide, tel qu'un cylindre.
La charge solide étant introduite dans la creuset de fusion, celui-ci étant fermé à son extrémité inférieure par le piston (180) et le moule étant fermé, l'ensemble étant tiré au vide, la bobine de fusion (165) est alimentée en courant à très haute fréquence. Alternativement, après le tirage au vide, un gaz neutre est introduit dans la cavité moulante et dans l'enceinte comprenant le creuset de fusion. Les courants induits chauffent ladite charge qui entre en fusion. La nature sectorisée du creuset et le champ magnétique qui en résulte, éloigne la charge en fusion des parois du creuset, tout comme des parois du piston (180), lui même sectorisé. La mise en fusion de la charge est extrêmement rapide du fait de son chauffage direct par l'induction. Les forces de Laplace générées maintiennent la charge en fusion écartée des parois du creuset et du piston, le circulation des courants induits dans la charge en fusion, assurent aussi un brassage de ladite charge, ce qui permet d'assurer son homogénéité particulièrement lorsque celle-ci comprend plusieurs éléments d'alliages de masses spécifiques différentes.
Selon cet exemple de réalisation, une bobine plate (166) connectée à une série de condensateurs et placée juste au-dessus du creuset de fusion.
Figure 2, le dispositif de la figure 1 , est représenté au cours de la phase d'injection. La charge étant fondue, pour réaliser l'injection, la cavité moulante est préalablement chauffée, au moyen des inducteurs (120) pour l'amener à une température égale ou légèrement inférieure à la température de transition vitreuse du BMG. Selon cet exemple de réalisation, où le dispositif de fusion est placé au- dessus du moule, le piston (180 ) est escamoté dans le moule en déplaçant celui-ci vers le bas par sa tige de manoeuvre (185) libérant ainsi le passage vers le cavité moulante (1 10). La charge en fusion (190) s'écoule alors par gravité dans la cavité moulante. Les surfaces de ladite cavité moulante ayant été préchauffées, la matière en fusion s'écoule dans la cavité en conservant une fluidité suffisante pour la remplir entièrement. Puis, le refroidissement de la cavité moulante est réalisé en faisant circuler un fluide caloporteur dans les canaux (125) de refroidissement. Un dispositif de commande électronique (non représenté) permet de synchroniser et de séquencer, l'alimentation de la bobine de fusion, le chauffage de la cavité moulante, l'escamotage du piston, l'arrêt de l'alimentation de la bobine de fusion et le refroidissement du moule.
Selon un mode de réalisation avantageux, la bobine plate (166) est alimentée par la décharge des condensateurs de manière synchronisée avec la descente du piston (180). L'alimentation de ladite bobine plate (166) crée une force électromagnétique agissant sur la charge en fusion, qui pousse ladite charge vers la cavité moulante.
Selon un mode de réalisation avantageux, une bobine d'injection (266) est imbriquée dans la bobine de fusion et alimentée au moment de l'injection par un courant alternatif à haute fréquence simultanément à l'alimentation de la bobine (165), les deux bobines (165, 266) étant alimentées par des courants alternatifs déphasés, de sorte à créer un champ glissant qui tende à éjecter la charge en fusion du creuset de fusion vers la cavité moulante.
L'utilisation d'une telle bobine d'injection, est, selon un mode de réalisation, complémentaire à l'utilisation de la bobine plate, pour réaliser l'injection de la charge en fusion dans la cavité moulante.
Selon un mode de réalisation, le creuset de fusion (160) est prolongé par un creuset ou cylindre d'injection (260) lequel est avantageusement entouré par une bobine (265) alimentée par un courant à haute fréquence et formant un inducteur. Ledit creuset d'injection est par exemple constitué d'un matériau réfractaire transparent au champ électromagnétique, sans que cette configuration ne soit limitative. Ce creuset d'injection permet de traverser l'épaisseur de la partie du moule séparant la le creuset de fusion (160) de la cavité moulante, tout en conservant la charge en fusion suffisamment chaude. Ainsi, l'alimentation électrique de la bobine (265) entourant le creuset d'injection (260) a pour effet, d'une part, d'éloigner la charge en fusion (190) des parois du creuset d'injection (260) et d'autre part de conserver, par l'effet de chauffage inductif, la charge en fusion à une température suffisante avant son entrée dans la cavité moulante.
L'alimentation de l'inducteur d'injection, de la bobine plate (166), de la bobine d'injection (266), de la bobine (265) entourant le creuset d'injection (260) ainsi que le mouvement du piston sont pilotés, séquencés et synchronisés, par des moyens électroniques, par exemple par un automate programmable (non représenté).
Figure 7, selon un autre mode de réalisation, le dispositif objet de l'invention comprend un piston (760) apte à pousser la charge (190) dans la cavité moulante. Ledit piston comprend une tête (762) et une tige de manoeuvre (761 ) pour son déplacement vertical, ledit déplacement étant réalisé par un vérin, électrique, hydraulique ou pneumatique agissant sur ladite tige (761 ), par un système pignon crémaillère, un moteur linéaire ou tout autre moyen adapté. La tête (762) du piston est, selon des exemples de réalisation, une tête pleine ou une tête creuse, constituée d'un matériau ferromagnétique ou revêtue d'un matériau ferromagnétique. Manoeuvrée par la tige de manoeuvre (761 ), ladite tête (762) se déplace axialement dans le creuset de fusion, où elle est soumise à l'effet des courants induits générés par l'inducteur (165) de fusion. La réponse de la matière constituant la tête de piston ou son revêtement aux courants induits, provoque réchauffement rapide de la surface de ladite tête. Selon un exemple de réalisation, ladite tête (762) est en outre refroidie par la circulation d'un fluide caloporteur mis en circulation par des moyens (non représenté) entre la tige de manoeuvre (761 ) et la tête du piston. Le dimensionnement de la tête de piston, sa constitution et l'éventuel refroidissement de celle-ci, permettent de porter la surface de la tête de piston en contact avec la charge en fusion (190) lors de la coulée, à) une température telle que celle-ci soit suffisamment élevée pour ne pas créer un loup à la surface de ladite tête et suffisamment faible pour ne pas engendrer de phénomène de collage ou de soudure de la matière en fusion sur ladite tête.
Selon des variantes de combinaison de ces modes de réalisation exposés ci- avant, le dispositif objet de l'invention, permet la coulée par gravité simple et ne comprend à cette fin que le piston segmenté (180), ou une coulée par gravité assistée par un champs magnétique, combinaison comprenant le piston segmenté (180) associé à la bobine d'injection (266) et/ou la bobine plate (166). Selon une autre variante correspondant à une injection mécanique, le dispositif objet de l'invention comprend le piston segmenté (180) escamotable faisant office de sole en partie inférieure du creuset de fusion et un piston d'injection (760) poussant la charge dans l'empreinte. Selon une autre variante de ce dernier mode de réalisation comprenant un piston d'injection (760), le dispositif objet de l'invention comprend en plus une bobine d'injection (266) apte à créer un cham p magnétique glissant.
Après le remplissage de la cavité moulante, la circulation d'un fluide caloporteur dans les canaux de refroidissement (125) du moule permet de refroidir rapidement la cavité moulante et la pièce qu'elle contient, assurant ainsi un fort taux d'amorphisation de celle-ci. Le moule est ensuite ouvert, la pièce démoulée et le cycle reprend.
Bien que les figures 1 et 2 représentent le dispositif objet de l'invention dans un mode de réalisation comprenant un creuset d'injection et des bobines (166, 266) permettant de favoriser l'injection de la charge en fusion dans la cavité moulante, l'homme du métier comprend que ces caractéristiques sont des perfectionnements et ne sont pas indispensables au fonctionnement du dispositif objet de i'invention, le simple déplacement du piston (180) permettant de réaliser la coulée par gravité, celle-ci étant éventuellement assistée par l'effet mécanique d'un piston d'injection. Dans ce cas, le dispositif de fusion est placé, par exemple, directement dans la partie inférieure (102) du moule, de manière similaire au mode de réalisation représenté figure 3, mais avec le piston (180) positionné sous le creuset de fusion, du côté de la cavité moulante (1 10).
Figure 3, selon un autre mode de réalisation du dispositif objet de l'invention, le dispositif de fusion (350) est positionné verticalement sous la cavité moulante (310) du moule. De manière similaire aux autres modes de réalisation, le moule comprend au moins deux parties (301 , 302) séparables et des moyens d'étanchéité (303) associés, de sorte qu'à la fermeture du moule, lesdites parties définissent entre elles une cavité moulante (310) étanche, susceptible d'être tirée au vide par des moyens appropriés, et d'être remplie par un gaz neutre en légère surpression. Les deux parties (301 , 302) du moule sont par exemple montées sur les plateaux d'une presse, qui permet l'ouverture et la fermeture du moule. Au moins l'une (301 ) des parties du moule comprend avantageusement des moyens de chauffage des surfaces de la cavité moulante (310), par exemple sous la forme d'inducteurs (320) s'étendant dans des conduits pratiqués dans le moule. Au moins l'une des parties du moule comprend avantageusement des canaux (325) de refroidissement (325) permettant de refroidir rapidement la cavité moulante (310).
La disposition verticale du dispositif de fusion (350) sous le moule, permet de délivrer la charge dans ledit dispositif de fusion par gravité, moule ouvert. Le dispositif de fusion (350) comprend un creuset de fusion (360) sectorisé et refroidi comprenant de secteurs creux, par exemple constitués d'un acier inoxydable et isolés électriquement les uns des autres. Le creuset de fusion (360) est en communication avec la cavité moulante (310) par son extrémité supérieure, et fermé à son extrémité inférieure, par un piston (380) sectorisé. Ledit piston sectorisé est fixé sur une tige de manoeuvre (385) et des moyens de manoeuvre (386) permettent de déplacer verticalement ladite tige de manoeuvre (386) et par suite ledit piston (380). Une bobine d'induction (365) dite bobine de fusion, connectée à un générateur de courant à haute fréquence (non représenté) permet de générer un champ magnétique alternatif à haute fréquence dans le creuset de fusion et mettre en fusion la charge (190) qu'il contient. Le dispositif de fusion (350) est inséré dans une enceinte (355) étanche.
La charge solide étant placée dans le creuset de fusion, fermé par le piston sectorisé (380), le moule est fermé et tiré au vide. Selon la matière injectée, le tirage au vide est suivi de l'injection d'un gaz neutre dans la cavité moulant (310) et dans l'enceinte de fusion (355). L'alimentation de la bobine (365) de fusion permet de mettre la charge (190) en fusion. Les forces de Laplace résultant des courants induits circulant dans les secteurs du creuset de fusion (360) et du piston sectorisé (380), éloignent la charge en fusion de leurs parois, de sorte que ladite charge en fusion se trouve en lévitation ou pseudo-lévitation électromagnétique sans contact.
Pour réaliser la coulée, le piston sectorisé (380) est déplacé vers le haut par les moyens (386) agissant sur la tige de manoeuvre (385), ce qui a pour effet de pousser la charge (190) dans la cavité moulante, toujours sans contact entre la dite charge et ledit piston (380). Le refroidissement du piston (380) est contrôlé de sorte que la température à la surface du piston susceptible d'entrer en contact avec la charge en fusion en pseudo-lévitation, soit suffisante pour éviter la création d'un loup, mais pas trop élevée pour éviter le collage ou la soudure de la charge en fusion à la surface dudit piston.
Préalablement à la coulée, les surfaces de la cavité moulante (310) sont portées à une température égale ou légèrement inférieure à la température de transition vitreuse du BMG mis en oeuvre, par l'alimentation en courant à haute fréquence des inducteurs (320), du moule, de sorte à favoriser un remplissage uniforme de l'empreinte. Puis, la cavité moulante est refroidie rapidement, par la circulation d'un fluide caloporteur dans les canaux de refroidissement (125) du moule. Le moule est alors ouvert, la pièce démoulée et le cycle reprend. Selon une variante de ce mode de réalisation, le dispositif objet de l'invention comprend un creuset d'injection mettant en communication le creuset de fusion et la cavité moulante, et une bobine entourant ledit creuset d'injection permettant de conserver la température de la charge en fusion lors de son trajet entre le creuset de fusion et la cavité moulante.
Selon une variante de l'un quelconque des modes de réalisation du dispositif objet de l'invention, celui-ci comprend plusieurs dispositif de fusion et d'injection parallèles pour assurer un meilleur remplissage de l'empreinte.
Figure 4, selon un exemple de réalisation, le piston (185, 385) comprend une pluralité de secteurs creux (481 ,..., 486) constitués d'acier inoxydable ou d'un autre matériau électriquement conducteur et non magnétique, ajourés à leurs deux extrémités latérales et isolés électriquement les uns des autres par une couche de matériau isolant, telle qu'une céramique. Ladite couche de matériau isolant assure également l'étanchéité entre les secteurs. Les secteurs sont liés à la tige de manoeuvre (185, 385) par l'intermédiaire d'une boîte à eau (490) constituée d'un matériau électriquement isolant. Ladite boîte à eau est en communication hydraulique avec des moyens de circulation fluide (non représentés) par l'intermédiaire d'un orifice (491 ) pratiqué dans la tige de manoeuvre, et répartie le fluide caloporteur dans tous les secteurs (481 , 486) pour assurer leur refroidissement. À cette fin, Lesdits secteur comprennent sur leur face inférieure, un orifice (493) mettant en contact l'intérieur du secteur avec la boîte à eau (490). Un second orifice (494) à l'extrémité radiale intérieure du secteur, met en communication l'intérieur de chaque secteur avec un orifice (492) pratiqué dans la tige de manoeuvre, lui même en communication hydraulique avec les moyens de circulation, ce qui permet la circulation d'un fluide caloporteur dans les secteurs du piston.
Figures 4 et 5, lorsqu'un tel secteur (486) du piston est placé dans le champ magnétique alternatif généré par la bobine de fusion du dispositif de fusion, des courants induits (500) circulent à sa surface sur tout son périmètre. Ces courants induits génèrent une force de Laplace orientée dans le sens des y positifs sur la figure 5, qui maintient la charge en fusion éloignée de la surface du piston.
Figure 6, selon un exemple de mise en oeuvre du procédé objet de l'invention, quelque soit le mode de réalisation du dispositif, celui-ci comprend une première étape (610) de chargement du creuset de fusion. Cette étape est réalisée moule fermé ou moule ouvert dans le cas où le dispositif de fusion est placé au dessus du moule et moule ouvert lorsque le creuset est placé en dessous du moule Selon une étape de fermeture (620) le moule est fermé et la cavité moulante, ainsi que le creuset de fusion sont tirés au vide. Selon une variante, après le tirage au vide et éventuellement un balayage, consistant en une succession de tirages au vide et d'injection d'un gaz neutre, un gaz neutre tel que de l'argon est injecté dans la cavité moulante et l'enceinte du dispositif de fusion, ledit gaz étant en légère surpression par rapport à la pression atmosphérique. Selon une étape de fusion (630) le la charge est mise en fusion en alimentant la bobine de fusion du dispositif de fusion. De manière parallèle ou concomitante, le moule est préchauffé par les inducteurs au cours d'une étape de chauffage (640) afin de protée les surfaces de la cavité moulante à une température égale ou légèrement inférieure à la température de transition vitreuse du BMG. Le chauffage par induction permet d'atteindre un telle température en 1 minute ou moins selon la dimension de l'empreinte. Selon une étape de coulée (650) le piston est déplacé de haut en bas ou de bas en haut, selon le mode de réalisation du moule, et la bobine d'injection est alimentée, ainsi qu a bobine entourant le creuset d'injection, si le dispositif en est pourvus afin de remplir la cavité moulante préchauffée avec la matière en fusion. Selon les caractéristiques de l'opération, le chauffage de la cavité moulante est maintenu ou non durant l'étape de coulée. Selon une étape de refroidissement (660), l'alimentation des inducteurs du moule est arrêtée et le fluide caloporteur de refroidissement est mis en circulation dans les canaux de refroidissement du moule, procurant un refroidissement rapide de la pièce, jusqu'à ce que celle ci atteigne sa température de démoulage. Selon une étape de démoulage (670) le moule refroidi est ouvert, la pièce est démoulée, et le cycle reprend.
En résumé, le procédé et le dispositif objets de l'invention permettent de réaliser des pièces en métal amorphe à haute cadence, plus particulièrement des pièces minces, tout en assurant un taux d'amorphisation élevé de celles-ci.

Claims

REVENDICATIONS
Dispositif pour la réalisation d'une pièce par moulage d'un BMG, comprenant :
a. un moule comprenant deux coquilles (101 , 102, 301 , 302) délimitant une cavité moulante (1 10, 310) étanche ;
b. un dispositif de fusion du BMG comprenant :
bi. un creuset froid sectorisé (160, 360), dit creuset de fusion, disposé verticalement comprenant des secteurs creux (161 ) constitués d'un matériau électriquement conducteur et non magnétique et isolés électriquement les uns des autres ;
bii. un inducteur (165, 365) sous la forme d'une bobine entourant ledit creuset de fusion pour le chauffage de son contenu ;
biii. un moyen de génération de courant à très haute fréquence pour alimenter l'inducteur ;
d. des moyens pour mettre en communication le contenu du creuset de fusion (160, 360) avec la cavité moulante (1 10, 310) et réaliser la coulée du BMG ;
caractérisé en ce qu'il comprend un piston sectorisé (180, 380) comprenant des secteurs creux (481 ...486) constitués d'un matériau électriquement conducteur et non magnétique, isolés électriquement les uns des autres, fermant le creuset de fusion (160, 360) à une de ses extrémités, ledit piston (180, 380) étant configuré de sorte que lorsqu'il soumis au champ magnétique alternatif de l'inducteur (165, 365) alimenté par le moyen de génération de courant à haute fréquence, des courants induits (500) circulent dans les secteurs, dudit piston (180, 380) et créent une force repoussant de la surface du piston (180, 380) le BMG se trouvant dans le creuset de fusion. Dispositif selon la revendication 1 , dans lequel les moyens pour mettre en communication le contenu du creuset de fusion avec la cavité moulante (1 10, 310) comprennent un dispositif (186, 386) de déplacement vertical du piston (180, 380).
Dispositif selon la revendication 2, dans lequel le creuset de fusion (160) est placé au-dessus de la cavité moulante (1 10) et que le piston (180) se déplace vers le bas.
Dispositif selon la revendication 2, dans lequel le creuset de fusion (360) est placé en-dessous de la cavité moulante (310) et que le piston (380) se déplace vers le haut.
Dispositif selon la revendication 2 ou la revendication 3 comprenant un canal, dit creuset d'injection (260) entre le creuset de fusion (160) et la cavité moulante (1 10).
Dispositif selon la revendication 5, comprenant une bobine (265) entourant le creuset d'injection et alimentée en courant à haute fréquence.
Dispositif selon la revendication 5, comprenant une bobine, dite bobine d'injection (166, 266) et des moyens pour son alimentation électrique, aptes à produire une force électromagnétique pour l'injection de la matière en fusion (190) contenue dans le creuset de fusion (160), dans la cavité moulante, par le creuset d'injection.
Dispositif selon la revendication 7, dans lequel la bobine d'injection est une bobine plate (166) alimentée par une décharge de condensateurs.
Dispositif selon la revendication 7, dans lequel la bobine d'injection comprend une bobine imbriquée (266) dans la bobine formant la bobine de fusion, ladite bobine d'injection étant alimentée par un courant alternatif à haute fréquence déphasé par rapport au courant alternatif alimentant la bobine de fusion de sorte à créer un champ glissant.
10. Dispositif selon la revendication 1 , dans lequel les secteurs (481 ...486) du creuset de fusion et du piston (180) sont constitués d'acier inoxydable. 11. Dispositif selon la revendication 1 , dans lequel le moule comprend un moyen de chauffage par induction (120, 320) de la cavité moulante (110, 310).
12. Dispositif selon la revendication 1 1 , dans lequel le moule comprend un moyen de refroidissement (125, 325) de la cavité moulante. 13. Procédé pour le moulage d'une pièce à partir d'un BMG mettant en oeuvre un dispositif selon les revendications 11 et 12 et comprenant les étapes consistant à :
i. charger (610) de creuset de fusion fermé par le piston sectorisé (180, 380) ;
ii. fermer le moule et tirer la cavité moulante au vide (620) ;
iii. porter en fusion la charge contenue dans le creuset de fusion (630) au moyen de l'inducteur, le piston sectorisé (180, 380) étant soumis au champ magnétique dudit inducteur ;
iv. préchauffer (640) le moule au moyen du circuit d'induction (120, 320) du moule, afin de porter les surfaces de la cavité moulante à une température égale ou légèrement inférieure à la température de transition vitreuse du BMG;
v. réaliser la coulée (650) en déplaçant le piston sectorisé ;
vi. refroidir le moule (660) par la circulation d'un fluide caloporteur dans le circuit de refroidissement (125, 315) du moule ;
vii. ouvrir le moule et démouler la pièce (670).
14. Procédé selon la revendication 13 dans lequel les étapes iii) et iv) sont réalisées de manière parallèle.
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