EP3899072A1 - Dispositif de moulage par injection et procédé pour la fabrication de pièces en verres métalliques - Google Patents

Dispositif de moulage par injection et procédé pour la fabrication de pièces en verres métalliques

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Publication number
EP3899072A1
EP3899072A1 EP19850758.4A EP19850758A EP3899072A1 EP 3899072 A1 EP3899072 A1 EP 3899072A1 EP 19850758 A EP19850758 A EP 19850758A EP 3899072 A1 EP3899072 A1 EP 3899072A1
Authority
EP
European Patent Office
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sacrificial insert
face
mold
metal alloy
cavity
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP19850758.4A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Xavier CERUTTI
Sébastien GRAVIER
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.)
Vulkam SAS
Original Assignee
Vulkam SAS
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Filing date
Publication date
Application filed by Vulkam SAS filed Critical Vulkam SAS
Publication of EP3899072A1 publication Critical patent/EP3899072A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D29/00—Removing castings from moulds, not restricted to casting processes covered by a single main group; Removing cores; Handling ingots
    • B22D29/001—Removing cores
    • B22D29/002—Removing cores by leaching, washing or dissolving
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C33/00—Making ferrous alloys
    • C22C33/003—Making ferrous alloys making amorphous alloys
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C1/00—Compositions of refractory mould or core materials; Grain structures thereof; Chemical or physical features in the formation or manufacture of moulds
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • 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
    • B22D17/08—Cold chamber machines, i.e. with unheated press chamber into which molten metal is ladled
    • B22D17/10—Cold chamber machines, i.e. with unheated press chamber into which molten metal is ladled with horizontal press motion
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • 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
    • B22D17/22—Dies; Die plates; Die supports; Cooling equipment for dies; Accessories for loosening and ejecting castings from dies
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C1/00—Making non-ferrous alloys
    • C22C1/11—Making amorphous alloys
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C45/00—Amorphous alloys

Definitions

  • TITLE Injection molding device and process for the production of metal glass parts Technical area
  • the present disclosure relates to the field of production by injection of parts in metallic glasses, also called amorphous metals or amorphous metallic alloys (AMA).
  • the invention relates to an injection molding device intended for the manufacture of at least one part made of amorphous metal alloy, a method of manufacturing at least one part made of amorphous metal alloy and a part capable of being obtained. according to said method.
  • a metallic glass is conventionally obtained by specific manufacturing processes including in particular rapid cooling of a molten metal alloy whose chemical formulation is specifically appropriate so that the amorphous character is at least partially maintained after solidification.
  • amorphous metal alloys or “metallic glasses” applies to metals or metal alloys which are not crystalline, that is to say which have a predominantly random atomic distribution.
  • the amorphous structure of metallic glasses gives them particularly interesting properties: a very high mechanical resistance, a large capacity for elastic deformation, which is generally greater than 1.5%, a high resistance to corrosion and abrasion.
  • AMAs in particular based on zirconium (Zr), magnesium (Mg), iron (Fe), copper (Cu), aluminum (Al), palladium (Pd), platinum ( Pt), titanium (Ti), cobalt (Co), nickel (Ni), hafnium (Hf).
  • Zr zirconium
  • Mg magnesium
  • Fe iron
  • Cu aluminum
  • Al palladium
  • Pd platinum
  • Pt titanium
  • Co cobalt
  • Ni nickel
  • Hf hafnium
  • One method of manufacturing metal glass parts consists of injecting the liquid material into the imprint of a mold and solidifying the material under specific suitable conditions of injection speed and cooling.
  • the manufacture with extreme precision, for example an accuracy of less than 5 ⁇ m or even less than or equal to 1 ⁇ m, of AMA parts of very small dimensions (in particular of length between 0.1 mm and 25 mm, preferably 0.5 mm and 10 mm in the largest dimension of the part) and having a high height / thickness ratio generally requires complex manufacturing processes involving a casting step, a thermoforming step of a preform and a removal finishing step of material to lead to the final AMA part.
  • the material removal step is generally carried out by machining or by "hot-scraping" (Schroers et. Al (2007) "Thermoplastic forming of bulk metallic glass— Applications for MEMS and microstructure fabrication", accessible via the internet link https : // doi: 10. 1016 / d. msea.2006.02.398).
  • US Patent 8,807,198 describes a method for producing by injection of a metallic component, in which the cavity of a mold is provided with a sacrificial core to produce a cavity inside the metallic component. The metal is injected and cooled. After demolding, the sacrificial core attached to the molded part is destroyed.
  • the insert can be made of a refractory metal.
  • Document US2017 / 0087626 A1 describes a complex process for manufacturing an amorphous metal alloy part, comprising in particular the steps of three-dimensional printing of a wax model of the shape of the part, the introduction of a model in wax in the casting mold, the pouring of a sacrificial shell of constant thickness between the casting mold and the wax model, the dissolution of the wax model, the casting of an AMA in place of the wax model , the quenching of the part in cast AMA and the demolding of said part.
  • US Patent 9,314,839 describes a method of producing a piece of metallic glass, by injecting a metallic alloy into a cavity defined between two parts of a mold, one part of the mold having a protuberance forming a core engaged in the other part. After demolding, the protuberance engaged in the molded component is destroyed by etching.
  • AMA parts specifically manufactured to serve as a device for verifying authenticity.
  • AMA parts can be produced either by casting and then pressing the cast alloy or by thermoforming an alloy in a mold comprising a region with an irregular surface having a roughness Ra of between 0.1 ⁇ m and 1000 ⁇ m.
  • the manufacturing processes described in this document are not, however, suitable for obtaining a part, made of AMA of lower thermal stability, and of very small dimensions and of complex geometry or having a high height / thickness ratio.
  • the casting and pressing process imposes a time during which the alloy will be in contact with the mold without applying pressure and therefore without perfectly filling the imprint. This will create cold spots, which may prevent industrialization and the good repeatability of the manufacturing process, in particular for the following potentially cumulative reasons:
  • AMA parts of very small dimensions in particular of length between 0.1 mm and 25 mm, preferably 0.5 mm and 10 mm in the largest dimension of the part
  • a height / thickness ratio important and very fine geometrical characteristics (surface pattern with an accuracy of less than 5 ⁇ m or even less than or equal to 1 ⁇ m)
  • thermoforming processes consist in heating to a temperature higher than the glass transition temperature of GAMA (Tg) a piece of alloy in solid form and already having an amorphous structure and to form it using a pressure mechanical. These methods therefore require first obtaining amorphous pieces by casting, these pieces then being thermoformed. During thermoforming, they undergo a rise in temperature, a temperature which is maintained throughout the shaping. Once the forming is complete, the alloy is cooled to a temperature below Tg.
  • GAMA glass transition temperature
  • the alloy In order to preserve the amorphous structure of the part during thermoforming, the alloy must therefore have sufficient thermal stability to allow shaping without crystallizing. This is all the more important in the case of shaping of microcomponents with high aspect ratios, where a longer shaping time is necessary.
  • the parameters used are a temperature making it possible to obtain a viscosity between 10 6 and 10 8 Pa.s and times for maintaining at these temperatures before crystallization of the order of 3 to 5 min (Kumar et al. .
  • compositions having significant thermal stability that is to say thermal stability such that DTc of GAMA is greater than 100, with DTc, the temperature difference DT between the crystallization temperature Tx and the glass transition temperature Tg and / or even such that the standard thermal stability criterion, ATx / (Tl-Tg) is greater than 0.18.
  • thermally stable AMAs limits the compositions of usable alloys and the most stable alloys do not necessarily have the most advantageous property compromises depending on the intended application.
  • alloys with good thermal stability generally include elements such as precious metals, which are therefore very expensive and not suitable for industrialization.
  • Other alloys with good thermal stability contain harmful elements such as beryllium.
  • thermoforming step requires at least at least manufacturing steps (casting the slug and then thermoforming) and very long shaping times, which makes such processes difficult to industrialize.
  • a device for injection molding of a metal alloy, intended for the manufacture of at least one part made of an amorphous metal alloy or metallic glass, which comprises:
  • an injection mold defining a cavity which has a receiving face and a front molding face opposite the receiving face
  • At least one sacrificial insert placed in said cavity and having a rear face of which at least one bearing zone is adjacent to at least one bearing zone of said cavity receiving face and a front face situated opposite said molding face of the mold and provided with a hollow shape
  • a movable injection piston in a mold chamber, which communicates with the molding impression
  • the molding imprint is configured so that the diameter of the geometric spheres inscribed in this molding imprint and having at least one point of contact with the sacrificial insert is at most equal to one and a half times (1.5 times ) the critical diameter of the metal alloy, preferably at most equal to once and two tenths of times (1, 2 times) the critical diameter of the metal alloy, or again at most equal to once (1 time) the critical diameter (De) of the specific metal alloy.
  • Said cavity can be configured so that after demolding of the part provided with the sacrificial insert, at least said bearing area of the rear face of the sacrificial insert is uncovered.
  • the cavity may have a peripheral face joined to the receiving face.
  • the peripheral edge of the receiving face can be joined to the end edge, which is adjacent to it, of the peripheral face of the cavity.
  • the sacrificial insert can be in the form of a plate.
  • the front molding face may include a face of the mold cavity.
  • the front molding face may include a front face of the injection piston.
  • the support area of the rear face of the sacrificial insert can be glued above the support area of the receiving face of the mold cavity.
  • At least part of the periphery of the sacrificial insert can be inserted between two parts of the mold.
  • the receiving face of the cavity may have a recess in which the sacrificial insert is at least partially engaged.
  • the sacrificial insert can comprise a plurality of superimposed layers defining between them at least one space for extending the imprint.
  • the sacrificial insert can be composed of at least one material having a thermal conductivity of at least 20 W m- 1 K- l, preferably at least 40 W m- 1 K- l.
  • the device can be adapted for the production of parts having an elastic deformation capacity of at least 1.2%, preferably at least 1.5%.
  • a method of manufacturing at least one piece of an amorphous metal alloy is also proposed, using an injection mold as described above, comprising the following steps:
  • a method of manufacturing at least one piece of an amorphous metal alloy is also proposed, using an injection mold as described above, comprising the following steps:
  • the mold comprising the sacrificial insert can be heated prior to the injection step to a temperature between 250 ° C and Tg + 100 ° C, preferably between Tg- 150 ° C and Tg + 30 ° C and more preferably still to Tg ⁇ 20 ° C, with Tg the glass transition temperature of the metal alloy.
  • the separation of the insert and the molded part can be carried out by destruction of the sacrificial insert, preferably by destruction of the sacrificial insert by a selective chemical attack in a bath.
  • a step of removing the excess material can be carried out so as to obtain a final part.
  • the method may include a subsequent step of heat treatment of the molded part and / or of a final part obtained.
  • the step of injecting the metal alloy may have a duration of less than 100 ms, preferably less than 50 ms and more preferably still less than 20 ms.
  • the amorphous metal alloy has:
  • a DTc less than 100 ° C, preferably less than 80 ° C and more preferably still less than 60 ° C,
  • the part has a) a thickness less than OOpm and a height / thickness ratio greater than 8 or b) a thickness less than 50 pm and a height / thickness ratio greater than 4 or c) a thickness less than 40 pm and a ratio height / thickness greater than 2.
  • the sides of the part flanks formed using the sacrificial insert may have an average roughness Ra of less than 1 ⁇ m, preferably less than 0.5 ⁇ m and more preferably still less than 0.1 ⁇ m.
  • the part can be made of a metal alloy having a Tl greater than 700 ° C.
  • FIG 1 shows a longitudinal section of a molding device, along the axis of an injection piston
  • FIG 2 shows a cross section along II-II of the molding device of Figure 1
  • FIG 3 shows a cross section of an alternative embodiment of the molding device of Figure 1;
  • FIG 4 shows a cross section of another alternative embodiment of the molding device of Figure 1;
  • FIG 5 shows a cross section of another alternative embodiment of the molding device of Figure 1;
  • FIG 6 shows a longitudinal section of another molding device, along the axis of an injection piston.
  • FIG 7 represents a DRX analysis of an amorphous metal alloy.
  • FIG 8 represents a DRX analysis of a partially amorphous metal alloy.
  • FIG 9 represents a DRX analysis of a crystalline metal alloy.
  • FIG 10 represents a DRX analysis of the parts obtained in Example 1. Description of the embodiments
  • One or “one” means “at least one” or “at least one” respectively.
  • amorphous metallic alloy or “AMA” or “metallic glass” is understood here to mean metals or metallic alloys which are not crystalline, that is to say those whose atomic distribution is predominantly random. However, it is difficult to obtain a one hundred percent amorphous metallic glass since there is most often a fraction of the material which is crystalline in nature. We can therefore generalize this definition to metals or metal alloys which are partially crystalline and which therefore contain a fraction of crystals, as long as the amorphous fraction is in the majority. Generally, the fraction of the amorphous phase is greater than 50%.
  • molded part having at least partially an amorphous structure is meant a part whose fraction of the amorphous phase is greater than 50%.
  • a metallurgical structure is said to be amorphous or entirely amorphous when an analysis by X-ray diffraction , as described below does not reveal peaks of crystallization.
  • critical diameter (De) of a specific metal alloy is understood to mean the maximum limit thickness below which the metal alloy has an entirely amorphous metallurgical structure or beyond which it is no longer possible to obtain an entirely amorphous metallurgical structure, when the metal alloy is molded from a liquid state and is subjected to rapid cooling such that the transfer of heat inside the metal alloy is optimal. More specifically, the critical diameter is determined by successive molding of cylindrical bars (generally of length greater than 50 mm) of different diameters, molded from the liquid state under the following conditions:
  • the alloy is melted at a temperature of Tl + 150 ° C with Tl, the liquidus temperature of the alloy (in ° C);
  • the alloy is molded in a copper mold of CuCl type and is cooled to a maximum temperature of around twenty degrees Celsius (20 ° C).
  • the alloy is developed and molded under an inert atmosphere of high purity (eg under argon of quality 6.0) or under secondary vacuum (pressure ⁇ 10 ⁇ 4 mbar).
  • the alloy is molded with a system allowing the application of a pressure differential to facilitate the molding of the alloy and ensure intimate contact between the alloy and the mold walls in order to ensure rapid cooling of the alloy.
  • the molding step can be carried out under a pressure of 20 MPa.
  • This system can be mechanical (e.g. piston) or gaseous (application of overpressure).
  • the bars are cut in order to obtain a wafer (cross section of the cylinder preferably located towards the middle of the bar, thickness between 1 and 10 mm) and analyzed by X-ray diffraction (DRX) at a minimum to determine whether the slices have an amorphous or partially crystalline structure.
  • the critical diameter is then determined as the maximum diameter for which the structure is amorphous (the presence of bumps characteristics of AMA is then highlighted by X-ray diffraction). Since there are most often faults in metallurgical structures, a 100% amorphous alloy is almost impossible to obtain and the critical diameter can be defined as the diameter above which an X-ray diffraction analysis clearly shows evidence of peaks of crystallinity.
  • the metal alloys according to the present description are preferably chosen from alloys, the majority of which is chosen from zirconium, copper, nickel, iron, palladium, titanium, cobalt and hafnium. According to a preferred embodiment, it is an alloy chosen from those mentioned in appendix 2 (pp. 189-192) of the doctoral thesis "Study of the relationships between structural characteristics and vibration dissipation in massive metallic glasses . Application to inertial sensors. »Supported on November 22, 2006 by Cédric Haon.
  • liquid state metal alloy is understood to mean a metal alloy having a temperature greater than or equal to its liquidus temperature.
  • the liquidus temperature being determined with DTA (differential thermal analyzer) analyzes as described in particular in the document Li et al., 2012 (Li et al. (2012) “Effects of Cu, Fe and Co addition on the glass-forming ability and mechanical properties of Zr-Al- Ni bulk metallic glasses ”, in particular accessible via the internet link: https://doi.org/10.1007/s 1 1433-012-4919-y).
  • the thermal stability of AMAs can be characterized in several ways, in particular by assessing:
  • the temperatures are measured using a DSC at a rate of rise of 20 ° C / min.
  • the temperatures Tg, Tx are then extracted from the DSC curves.
  • the liquidus temperature Tl is determined with DTA analyzes as explained above. In particular, the determination of the liquidus temperature Tl can be carried out according to the method indicated in the article. An example is shown in the article Li et al., 2012 (Li et. Al.
  • the average roughness Ra of the molded part is determined according to standard ISO 25178.
  • “Sacrificial insert” means part of a single-use injection mold.
  • the sacrificial insert can be made of silicon, pyrolytic graphite, a metal (for example aluminum or copper), a glass (for example in silica) or a ceramic (for example in alumina). It is destroyed after the solidification step of the cast metal alloy. The destruction is preferably carried out by a selective chemical attack, more preferably by a selective chemical attack in a bath.
  • the thermal conductivity of the insert is evaluated according to the Flash method (Parker et al. (2004) “Flash Method of Determining Thermal Diffusivity, Heat Capacity, and Thermal Conductivity”, in particular accessible via the internet link: https: // doi. Org / 10.1063 / l. 1728417).
  • geometric spheres means the geometric spheres whose maximum diameters are as they are wedged or immobilized between points on the walls of the molding impression.
  • the AMA parts molded into the cavities of the sacrificial insert have a height, a length and a thickness.
  • the upper surface of the front face of the sacrificial Finsert 9 or 109 is defined as being the front face 9 or 109 without the faces included in the cavities 17 or 11 of the sacrificial Finsert.
  • the upper surface of the front face of the sacrificial insert 9 or 109 is for example represented by the plane of the surface 16 of FIG. 1.
  • the height can be defined as the greatest normal distance to the surface of the part formed by the upper surface of the front of the sacrificial insert 9 or 109 and measured between the surface of the part formed by the upper surface of the front face of the sacrificial insert 9 or 109 and the surfaces of the part formed by the cavity 17 or 1 17 of the sacrificial insert.
  • the sides of the part are defined as being the surfaces formed by the cavity 17 or 1 17 of sacrificial finert adjacent to the surface of the part formed by the upper surface of the front face of the sacrificial insert 9 or 109.
  • the sides of parts are generally perpendicular to the surface of the part formed by the upper surface of the front face of the sacrificial insert 9 or 109, with a tolerance interval of + or - 5 °.
  • the sidewalls can also have angles less than or greater than 90 °.
  • the thickness is defined as being the smallest diameter of the geometric spheres inscribed in the zones of the part formed by the cavity 17 or 1 17 of sacrificial Finsert having at least one point of contact with two sides of the part.
  • the aspect ratio or height / thickness ratio is defined as the ratio of height and thickness in a given area of the part (section perpendicular to the surface of the part formed by the upper surface of the front face of the sacrificial finert 9 or 109).
  • a room can therefore have a different height / thickness ratio for each given area of the room (depending on the dimensional variations observed in the different areas thereof).
  • ratio height / thickness of the part the maximum ratio that said part can have.
  • the height, thickness and length of the piece can be defined as follows:
  • the upper surface of the front face of the sacrificial insert 9 or 109 is defined beforehand as being the front face 9 or 109 without the faces included in the cavities 17 or 1 17 of the sacrificial insert.
  • the upper surface of the front face of the sacrificial insert 9 or 109 is represented by the plane of the surface 16 in Figure 1.
  • the length is defined as being the largest dimension in the plane of the part formed by the upper surface of the front face of the sacrificial insert 9 or 109.
  • the thickness is defined as being the smallest distance parallel to the plane of the part formed by the upper surface of the front face of the sacrificial insert 9 or 109 measured between the faces of the part formed by the cavity 17 or 1 17 of the sacrificial insert.
  • the height can be defined as the greatest distance normal to the plane of the part formed by the upper surface of the front face of the sacrificial insert 9 or 109 and measured between the upper surface of the front face of the sacrificial insert 9 or 109 and the surfaces of the part formed by the cavity 17 or 11 of the sacrificial insert.
  • the aspect ratio or height / thickness ratio is defined as the ratio of height and thickness in a given area of the part.
  • a room can therefore have a different height / thickness ratio for each given area of the room
  • FIGs 1 and 2 there is illustrated a device 1 for injection molding, intended for the manufacture of metal glass parts.
  • the molding device 1 comprises a permanent injection mold 2, in several parts, which delimits a cavity 3 which has a receiving face 4, a front face 5 opposite the receiving face 4 and a peripheral face 6.
  • the receiving face 4 and the peripheral face 6 of the cavity 3 are joined.
  • the peripheral edge of the receiving face 4 is joined to the end edge, which is adjacent thereto, of the peripheral face.
  • the cavity 3 is therefore formed entirely on one side of the receiving face 4.
  • the molding device 1 comprises a sacrificial conformation insert 7, in the form of a plate, placed in the cavity 3 and having a rear face 8, a support area of which is adjacent to a support area of the receiving face 4 of the cavity 3 and a front face 9 located opposite the front face 5.
  • a molding imprint 10 is thus created corresponding to the space left free in the cavity 3 after having placed the sacrificial insert 7 inside the cavity 3, above the bearing area of the receiving face. 4 from cavity 3.
  • a shape of the part to be molded in the molding cavity 10 is determined by a specific shape of the sacrificial insert 7, which constitutes the negative of the part to be molded.
  • the shape of the final part to be produced can be included in the specific shape of the sacrificial insert
  • the rest of the molding footprint 10 can constitute a surplus of material.
  • the molding device 1 comprises an injection piston 11 movable in an injection chamber 12 of the mold, which communicates with the molding impression 10.
  • the molding device 1 allows injection molding of a part in a single step (pressure injection of the molten metal alloy). This allows in particular to have an excellent control of the filling time and the conformation of the part.
  • the injection molding step taking place in a single step, the filling / shaping time is thus minimized, thus allowing the molding of complex geometries and small dimensions. Indeed, rapid filling of the imprint makes it possible to limit the cooling of the alloy during filling and makes it possible to fill cavities of very small dimensions and very precisely (very good conformation of the alloy in the cavities of the sacrificial insert).
  • the parts formed in the cavity of the sacrificial insert can then have the characteristics of very low thickness and high height / thickness ratio as claimed as well as an average roughness Ra of their sides less than 1 ⁇ m, preferably less than 0 .5 pm and more preferably still less than 0.1 pm
  • Controlling the filling time also makes it possible to fill the section with a molding imprint configured so that the diameter of the geometric spheres inscribed, in contact with its opposite side walls and having at least one point of contact with the sacrificial insert, or less than 1mm, preferably less than 0.75mm and even more preferably less than 0.5mm.
  • This type of cavity allows better thermal control (cooling of the alloy, temperature of the sacrificial insert and interface temperature AMA / sacrificial insert). This thermal control therefore also allows the manufacture of parts, with the geometric characteristics mentioned above, with alloys having De of small dimensions and / or having low thermal stability.
  • the thermal control also makes it possible to avoid surface crystallization, which can for example appear during the injection of alloys with liquidus temperatures higher than 700 ° C or with alloys composed of elements which will react quickly with the material of the sacrificial insert.
  • surface crystallization can for example appear during the injection of alloys with liquidus temperatures higher than 700 ° C or with alloys composed of elements which will react quickly with the material of the sacrificial insert.
  • the shorter the cooling time of the alloy and the more the interface temperature will be limited the more the diffusion phenomena that can take place between the sacrificial insert and GAMA will be limited, or even eliminated.
  • Preventing surface crystallization makes it possible to obtain better quality parts, with, for example, better resistance to corrosion or fatigue.
  • the molding device 1 can be used in the following manner.
  • the permanent mold 2 being open so as to open the cavity 3, the sacrificial insert 7 is placed above the receiving face 4 of the cavity 3.
  • the parts of the permanent mold 2 are assembled so as to close the cavity 3 and constitute the molding impression 10.
  • the parts of the permanent mold 2 are disassembled so as to demold the part produced, at the same time as the sacrificial insert 7 is extracted.
  • the cavity 3 is advantageously configured so that after demolding of the produced part, provided with the sacrificial insert 7, at least the bearing zone of the rear face 8 of the sacrificial insert 7 above the zone of support of the receiving face 4 of the cavity 3 is uncovered.
  • the sacrificial insert 7 is destroyed, for example by a selective chemical attack of dissolution in a suitable bath, so as to keep only the molded part. After which, in a subsequent step, a surplus material is removed from the molded part so as to obtain the desired final part.
  • the surplus material is removed from the molded part, then the sacrificial insert 7 is destroyed.
  • the final part can be determined solely by the material contained inside the hollow form 17. The part of the molding imprint 10 located between the face 16 of the sacrificial insert 7 and the front face 5 of the cavity then constitutes a surplus of material to be removed.
  • the conditions linked to the thermal properties of the permanent mold 2 and of the sacrificial insert 7, the temperature of the metal alloy in the liquid state and the speed of injection, are favorable for obtaining, from the metallic alloy in the liquid state, of a molded piece of metallic glass, that is to say having a metallurgical structure at least partially amorphous.
  • the permanent mold 2 can be made of copper, a suitable steel, a refractory alloy.
  • the sacrificial insert 7 is composed of at least one material having a thermal conductivity of at least twenty Watts per meter and per Kelvin degree 20 W m 1 K 1 , advantageously at least forty Watts per meter and per Kelvin degree ( 40 W m 1 K 1 ).
  • the sacrificial insert 7 can be made of silicon, pyrolytic graphite, a metal (for example aluminum or copper), a glass (for example silica) or a ceramic (for example alumina).
  • the molding imprint 10 is configured so that the diameter of the geometric spheres inscribed in this molding imprint 10 and having at least one point of contact with the sacrificial insert is at most equal to one and a half times (1.5 times ), advantageously at most equal to once and two tenths of times (1, 2 times), the critical diameter (De) of the specific metal alloy used, and more preferably still at most equal to once (1 time ), the critical diameter (De) of the specific metal alloy used.
  • the molding impression is configured so that the diameter of the geometric spheres inscribed in this molding impression and having at least one point of contact with the sacrificial insert is at most equal to lmm, preferably at most equal to 0.75mm and even more preferably at most equal to 0.5mm.
  • Such a configuration of the imprint is thus produced with the aim of obtaining a molded part having the metallurgical characteristics of an amorphous metal alloy or metallic glass, the geometric spheres inscribed and the critical diameter having been defined previously.
  • the receiving face 4 of the cavity 3 comprises a recess 13 in which the sacrificial insert 7 is engaged.
  • the bottom 14 of the recess 13 constitutes a zone of support for the rear face 8 of the sacrificial insert 7.
  • the peripheral face 6 of the cavity 3 is at a distance from the peripheral edge of the recess 13, so that the receiving face 4 comprises a portion 15 which surrounds the recess 13.
  • the bottom 14 of the recess 13 and the portion 15 are parallel to each other and are parallel to the front face 5 of the cavity 3.
  • the periphery of the recess 13 is adjusted to the periphery of the sacrificial insert 3, without play or with little play.
  • the front face 9 of the sacrificial insert 3 comprises a surface 16 situated in the plane of the portion 15 of the face 4 of the cavity 3 and, in depression with respect to this surface 16, a shape 17 corresponding to the negative of a shape of a part or a portion of a part to be molded.
  • the front face 9 of the sacrificial insert 3 comprises a surface 16 located in depression relative to the plane of the portion 15 of the face 4 of the cavity 3 and, in depression relative to this surface 16 , a shape 17 corresponding to the negative of a shape of a part or to a portion of a part to be molded.
  • This embodiment is particularly advantageous in the embodiment illustrated in FIG. 4 and detailed below in order to avoid any pressure and / or bending of the sacrificial insert during assembly of the mold.
  • the hollow shape 17 defined by the sacrificial insert 7, facing the face 5 of the cavity 3, can be produced over part of the thickness of the sacrificial insert 7.
  • the hollow shape 17 may have one or more parts which pass through the sacrificial insert 7, so that this hollow shape 17 extends to the receiving face 4 of the cavity 3.
  • the bearing areas of the sacrificial insert 7 and of the receiving face 4 of the cavity 3, above one over the other, for example at the bottom of the recess 13, are reduced.
  • one of the sides of the peripheral face 6 of the cavity 3, namely the side 6a, is open and communicates with the injection chamber 12 of the mold 2.
  • the axis 18 of the chamber 12 and the piston 1 1 is situated in the plane of the portion 15. of the receiving face 4 of the cavity 3.
  • the piston 1 1 produces a lateral injection of the material into the molding impression 10.
  • Such a Configuration of the device has the advantage of facilitating the repeatability of the process.
  • the imprint formed by the cavity (3) and the sacrificial insert in fact ensures that the diameters of the geometric spheres inscribed in the molding imprint 10 and having at least one point of contact with the sacrificial insert are always the same even if the quantity of the alloy injected varies slightly from one injection to another.
  • the mold 2 comprises two parts 19 and 20 whose joint plane 21 is located in the plane of the portion 15 of the receiving face 4 of the cavity 3, which also contains the axis 18.
  • the axis 18 of the chamber 12 and the piston 1 1 is arranged horizontally.
  • the sacrificial insert 3 can be placed on the bottom 14 of the recess 13. During the injection of the metal alloy into the molding cavity 10, the injection pressure applies the rear face 8 of the insert sacrificial above the bottom 14 of the recess 13. However, the sacrificial insert 3 can be glued to the bottom 14 of the recess 13.
  • a layer 22 of a heat-conducting material is interposed between at least the support zone of the rear face 8 of the sacrificial insert 7 and the support zone of the receiving face 4 of the cavity 3 of the mold 2.
  • the heat conducting layer 22 can be - for example graphite or aluminum, adapting to the roughness of the bearing faces of the permanent mold 2 and of the sacrificial insert 7.
  • the heat conducting layer 22 is located between the bottom 14 of the recess 13 and the rear face 8 of the sacrificial insert 7 inserted in this recess 13.
  • the recess 13 of the receiving face 4 of the cavity 3 extends, over at least part of its periphery, beyond the peripheral wall 6 of the cavity 3 and the sacrificial insert 7 disposed in such a recess.
  • the sacrificial insert 7 also extends, correspondingly, beyond the peripheral wall 6 of the cavity 3.
  • a peripheral part 23 of 1 the sacrificial insert 7 is adjusted or inserted, without play or with little play, between the two parts 19 and 20 of the permanent mold 2.
  • the axis 18 of the chamber 12 and of the piston 11 is arranged vertically.
  • the supply chamber 12 is placed below the cavity 3 and therefore of the molding impression 10.
  • the sacrificial insert 7 is held above the receiving face 4 of the cavity 3, for example in the recess 13, by means of a layer of adhesive or by means of an arrangement equivalent to that described above with reference to FIG. 4.
  • the sacrificial insert 7 comprises a plurality of superimposed layers 24 assembled one on the other.
  • the hollow shape 17 of the sacrificial insert 7 can have parts extending locally between two successive layers, so as to produce complex parts in steps in the molding cavity 10 which includes such a shape hollow 17 complex.
  • FIG. 6 there is illustrated an injection molding device 101 which differs from the injection molding device 1 described above by the fact that a cavity 103 of a mold 102, in several parts, is formed by a part end of a supply chamber 1 12 in which an injection piston 1 1 1 is movable along an axis 1 18.
  • a receiving face 104 is formed and located opposite a radial front face 1 1 1 a piston 1 1 1 movable in the injection chamber 1 12.
  • the receiving face 1 17, substantially radial is joined to the peripheral wall 106 of the chamber 1 12.
  • a peripheral edge of the face of reception 104 is joined to a peripheral edge at the end of the peripheral wall 106 of the chamber 1 12.
  • the cavity 103 is therefore formed entirely on one side of the reception face 4, that is to say on the side of the front face 1 1 1 a of the piston 1 1.
  • a sacrificial insert 107 is disposed above the receiving face 104, on the side of the front face 1 1 1 a of the piston 1 1 1.
  • the arrangements and shapes described above with respect to the receiving face 4 and the sacrificial insert 7 can be applied to the receiving face 104 and to the sacrificial insert 107.
  • the sacrificial insert 7 has, from a front face 109 situated opposite the front face 1 1 1 a of the piston 1 1 1, a hollow shape 1 17 corresponding, at least partially, to the negative of a part to mold.
  • the piston 1 1 1 produces a frontal injection of the material in the direction of the receiving face 104 and therefore of the sacrificial insert 107. It follows that a mold impression 1 10, including the hollow shape 1 17, is defined in the terminal injection position of the piston 1 1 1, between the receiving face 104 provided with the sacrificial insert 107 and the front face 1 1 1 a of the piston 1 1 1.
  • the mounting of the sacrificial insert 107 on the receiving face 104 can be equivalent to any of the mounting of the sacrificial insert 7 on the receiving face 4 of the cavity 3 described above.
  • the final position of injection of the piston 1 1 1, which delimits the configuration of the molding imprint 1 10, is determined so that the diameter of the geometric spheres inscribed in this molding imprint 1 10 is at most equal to one and a half times (1, 5 times), advantageously once and two tenths of a time (1, 2 times), the critical diameter (De) of the specific metal alloy used, as defined above, for the purpose of '' obtain a molded part having the metallurgical characteristics of an amorphous metal alloy or metallic glass.
  • the diameter of the geometric spheres inscribed in the molding impression 1 10 is at most equal to once (1 time) the critical diameter (De) of the specific metal alloy, preferably at most equal to 1mm, more preferably at most equal to 0.75mm and even more preferably at most equal to 0.5mm.
  • De critical diameter
  • Such an advantageous mode allows in particular to further avoid a reaction with the sacrificial insert and to obtain parts having an optimized surface state, substantially free of surface crystals. A surface crystallization is problematic in particular for the fatigue resistance of the parts or even the corrosion resistance.
  • an intermediate molding cavity can be formed between the chamber 12 of the mold 102 and the front face 109 of the sacrificial insert 1 17.
  • the section of such a molding cavity is configured so that the diameter of the inscribed geometric spheres, in contact with its opposite side walls and having at least one point of contact with the sacrificial insert, is at most equal to one and a half times (1.5 times), preferably once and two tenths of times (1, 2 times), and more preferably still at most equal to once (1 time), the critical diameter (De) of the specific metal alloy used.
  • the molding imprint is configured so that the diameter of the geometric spheres inscribed in this molding imprint and having at least one point of contact with the sacrificial insert is at most equal to 1mm, preferably at most equal to 0.75mm and even more preferably at most equal to 0.5mm.
  • this intermediate molding cavity extends axially to the chamber 1 12 and is advantageously cylindrical, its diameter being at most equal to one and a half times. (1.5 times), advantageously once and two tenths of a time (1.2 times), and more preferably still at most equal to once (1 time), the critical diameter (De) of the specific metal alloy used.
  • the molding imprint is configured so that the diameter of the geometric spheres inscribed in this molding imprint and having at least one point of contact with the sacrificial insert is at most equal to 1 mm, preferably at most equal to 0, 75mm and even more preferably at most equal to 0.5mm.
  • the main advantage of the injection molding device previously described and presented in FIG. 6 is that it is modular.
  • modular we mean here the ease by which it is possible to modify the injection configuration.
  • the diameters of the geometric spheres inscribed in the molding imprint (1 10) and having at least one point of contact with the sacrificial insert can be easily modified by increasing or decreasing the quantity of alloy injected, without having to modify the parts forming the mold (102).
  • the injection mold as described above allows the manufacture of at least one part of an amorphous metal alloy, according to a process comprising the following steps:
  • the order of the steps of setting up the sacrificial insert above the face for receiving at least one part of the mold and for assembling the parts of the mold can be reversed.
  • This embodiment is particularly preferred during an automatic loading of the insert into the mold. The assembly of the molds is then carried out and the insert is placed via a dedicated opening.
  • the injection and solidification steps are carried out under secondary vacuum, preferably at a pressure of 10-4 to 10-6 mbar.
  • the vacuum makes it possible in particular to limit the pollution of the alloy during its shaping as well as to facilitate the filling of the mold, therefore allowing a perfect match between the mold and cast GAMA (absence of trapped gas).
  • the injection and solidification steps are carried out under primary vacuum (from 10-1 to 10-3 mbar) or else under a controlled atmosphere, for example under argon.
  • the mold and the insert Prior to the injection stage, the mold and the insert are heated in order to facilitate their filling and to prevent the molten alloy from freezing before reaching the bottom of the molding impression as well as in order to to ensure a very good conformation of the cavities by the alloy (reproduction of the surface states). Heating also helps limit thermal shock.
  • the heating temperature is advantageously close to the glass transition temperature Tg of the molded amorphous metal alloy, preferably the heating temperature, expressed in ° C, is between 250 ° C and Tg + 100 ° C, more preferably still between Tg - 150 ° C and Tg + 30 ° C and even more preferably at Tg ⁇ 20 ° C.
  • pressure is exerted on the molten alloy to ensure the filling of the mold and allow good heat exchange between the mold and the alloy as well as ensuring high precision in molding.
  • This pressure can be exerted using a mechanical system (e.g. a piston) and / or using a gas overpressure.
  • a negative pressure differential can also be used.
  • the pressure is greater than 1 MPa, preferably greater than 10 MPA.
  • it is between l MPa and 150MPa, preferably between OMPa and 80MPa.
  • the filling of the imprint is carried out in a time of less than 100 ms, preferably less than 50 ms and more preferably still less than 20 ms.
  • the step of injecting the metal alloy has a duration of less than 100 ms, preferably less than 50 ms and more preferably still less than 20 ms.
  • the sacrificial insert is removed and / or dissolved.
  • a KOH bath with a concentration between 10 and 40% and a temperature between 60 and 90 ° C allowing a high dissolution rate of silicon and a possible layer of SiO2 is generally used.
  • the method does not include an additional step of removing material after molding.
  • material is used here to mean the amorphous metal alloy.
  • the AMA part obtained by injection, solidification and separation of the insert can therefore be used as it is and corresponds to the final part.
  • the AMA part can then undergo one (or more) post-processing operations allowing the final geometry to be obtained.
  • These operations are generally of the "material removal” type. These material removals can be carried out by machining (mechanical, chemical, ultrasound, EDM, water jet, laser). The material removal step can be carried out before or after separation of the sacrificial insert and the molded part.
  • the manufacture with extreme precision, for example an accuracy less than or equal to 5 pm, of AMA parts of very small dimensions (in particular of length between 0.5 and 10 mm in the largest dimension of the part) and having a high height / thickness ratio requires complex manufacturing processes involving in particular a casting step and a thermoforming step.
  • the alloy In order to preserve the amorphous structure of the part during thermoforming, the alloy must therefore have sufficient thermal stability to allow shaping without crystallizing.
  • the specific method described above makes it possible, unlike the methods of the prior art, to obtain parts such as
  • the amorphous metal alloy has:
  • a DTc less than 100 ° C, preferably less than 80 ° C and more preferably still less than 60 ° C,
  • the part has a) a thickness less than OOpm and a height / thickness ratio greater than 8 or b) a thickness less than 50 pm and a height / thickness ratio greater than 4 or c) a thickness less than 40 pm and a ratio height / thickness greater than 2.
  • the part obtained according to the specific method described above is such that the faces of these sides formed using the sacrificial insert have an average roughness Ra of less than 1 ⁇ m, preferably less than 0.5 ⁇ m and more preferably still less than 0.1 pm.
  • the metal alloy constituting the part has a Tl greater than 700 ° C.
  • the final parts that can be manufactured by using the molding devices 1 or 101 may have, after optional removal of the excess material, small dimensions, complex shapes and various shapes.
  • the final parts may have precise dimensions, that is to say small manufacturing tolerance intervals, for example of a few microns.
  • the final pieces may have, in the thickness direction of the sacrificial inserts 7 and 11, thicknesses ranging from less than a tenth of a millimeter to a few millimeters.
  • the molding devices described can be applied to the manufacture of parts having an elastic deformation capacity of at least one and two tenths of a percent (1, 2%), advantageously of at least one and a half percent (1, 5%).
  • the sacrificial insert is a silicon type insert (SOI), the cavities of which have the following geometries:
  • the sacrificial insert is a silicon type insert (SOI), the cavities of which have the following geometries:
  • the silicon remaining on the part was dissolved in a 20% KOH solution and at a temperature of 80 ° C.
  • the DRX analysis carried out on the part resulting from the process confirmed the amorphous character of the part obtained.

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Abstract

Dispositif et procédé de moulage par injection d'un alliage métallique, destiné à la fabrication d'au moins une pièce en un alliage métallique amorphe ou verre métallique, dans lesquels : un moule d'injection (2) délimite une cavité qui présente une face de réception (4) et une face frontale de moulage (5) en regard de la face de réception, au moins un insert sacrificiel de conformation (7) est placé dans ladite cavité et présente une face arrière (8) dont au moins une zone d'appui est adjacente à au moins une zone d'appui de ladite face de réception de la cavité et une face avant (9) située en regard de ladite face de moulage du moule et pourvue d'une forme en creux, et un piston d'injection (11) est mobile dans une chambre du moule (12) et communique avec l'empreinte de moulage.

Description

DESCRIPTION
TITRE : Dispositif de moulage par injection et procédé pour la fabrication de pièces en verres métalliques Domaine technique
La présente divulgation concerne le domaine de la production par injection de pièces en verres métalliques, appelés aussi métaux amorphes ou alliages métalliques amorphes (AMA). En particulier, l’invention concerne un dispositif de moulage par injection destiné à la fabrication d’au moins une pièce en alliage métallique amorphe, un procédé de fabrication d’au moins une pièce en alliage métallique amorphe et une pièce susceptible d’être obtenue selon ledit procédé.
Technique antérieure
Un verre métallique est classiquement obtenu par des procédés de fabrication spécifiques comprenant notamment un refroidissement rapide d’un alliage métallique en fusion dont la formulation chimique est spécifiquement appropriée pour que le caractère amorphe soit au moins en partie maintenu après solidification.
D’une manière générale, l’appellation « alliages métalliques amorphes » ou « verres métalliques » s’applique à des métaux ou des alliages métalliques qui ne sont pas cristallins, c’est-à-dire qui ont une distribution atomique majoritairement aléatoire.
La structure amorphe des verres métalliques leur confère des propriétés particulièrement intéressantes : une très grande résistance mécanique, une grande capacité de déformation élastique, qui est généralement supérieure à 1 ,5%, une résistance élevée à la corrosion et à l’abrasion.
On sait déjà élaborer des AMA en particulier à base de zirconium (Zr), de magnésium (Mg), de fer (Fe), de cuivre (Cu), d’aluminium (Al), de palladium (Pd), de platine (Pt), de titane (Ti), de cobalt (Co), de nickel (Ni), d’hafnium (Hf). Des listes d’alliages métalliques spécifiques permettant d’élaborer des verres métalliques sont indiquées en particulier dans le document de C. Suryanarayana, et A. Inoue (2017), intitulé ,« Bulk , Metallic Glasses » et accessible par le lien internet https://doi.org/10.1201/97813 15153483).
Une méthode de fabrication de pièces en verres métalliques consiste à injecter la matière liquide dans l’empreinte d’un moule et à solidifier la matière sous des conditions adaptées spécifiques de vitesse d’injection et de refroidissement. La fabrication avec une extrême précision, par exemple une précision inférieure à 5 pm ou même inférieure ou égale à 1 pm, de pièces en AMA de très petites dimensions (notamment de longueur comprise entre 0, 1 mm et 25 mm, préférentiellement 0,5 mm et 10 mm dans la plus grande dimension de la pièce) et présentant un ratio hauteur/épaisseur important nécessite généralement des procédés de fabrication complexes impliquant une étape de coulée, une étape de thermoformage d’une préforme et une étape de finition d’enlèvement de matière pour aboutir à la pièce en AMA finale. L’étape d’enlèvement de matière est généralement réalisée par usinage ou par « hot-scraping » (Schroers et. al (2007) «Thermoplastic forming of bulk metallic glass— Applications for MEMS and microstructure fabrication », accessible par le lien internet https://doi: 10. 1016/j . msea.2006.02.398) .
Le brevet US 8 807 198 décrit un procédé de réalisation par injection d’un composant métallique, dans lequel la cavité d’un moule est pourvue d’un noyau sacrificiel pour produire une cavité à l’intérieur du composant métallique. Le métal est injecté et refroidi. Après démoulage, le noyau sacrificiel attaché à la pièce moulée est détruit. L’insert peut être en un métal réfractaire.
Le document US2017/0087626 A l décrit un procédé complexe de fabrication d’une pièce en alliage métallique amorphe comprenant notamment les étapes d’impression tridimensionnelle d’un modèle de cire de la forme de la pièce, l’introduction d’un modèle en cire dans le moule de coulée, la coulée d’une coque sacrificielle d’épaisseur constante entre le moule de coulée et le modèle de cire, la dissolution du modèle de cire, la coulée d’un AMA en lieu et place du modèle de cire, la trempe de la pièce en AMA coulée et le démoulage de ladite pièce.
Le brevet US 9 314 839 décrit une méthode de réalisation d’une pièce en verre métallique, par injection d’un alliage métallique dans une cavité dpfinie eptre deux parties d’un moule, l’une des parties du moule ayant une protubérance formant un noyau engagé dans l’autre partie. Après démoulage, la protubérance engagée dans le composant moulé est détruite par gravure.
Le document publié par la revue « Hindari Publishing Corporation », Volume 2014, Article ID 362484, sous le titre « Fabricating of Zr-Based Bulk Metallic Glass Microcomponent by Suction Casting Using Silicon Micromold Dies » (notamment accessible par le lien internet : https://dx.doi.org/10.1155/2014/362484) décrit une méthode de réalisation d’une pièce en verre métallique par écoulement par aspiration d’un alliage métallique au travers d’un canal dans lequel est placé un support intermédiaire, de sorte que la matière liquide s’écoule devant, de part et d’autre et en arrière de ce support. Sur le support est disposée une forme correspondant à la pièce à réaliser, sur laquelle reste une partie de la matière s’écoulant.
Le document publié par la revue « Hindari Publishing Corporation », Volume 2015, Article ID 179714, sous le titre « Hot Embossing of Zr- Based Bulk Metallic Glass Micropart Using Stacked Silicon Dies » (notamment accessible par le lien internet : https://dx.doi.org/10.1155/2015/179714) décrit une méthode de réalisation d’une pièce en verre métallique par emboutissage ou martelage d’un lopin de matière au-dessus d’une contre-forme.
Le document EP 1 918 409 A2 décrit des pièces en AMA spécifiquement fabriqué pour servir de dispositif de vérification d’authenticité. Les pièces en AMA peuvent être réalisées soit par coulée puis pressage de l’alliage coulé soit par thermoformage d’un alliage dans un moule comprenant une région à la surface irrégulière présentant une rugosité Ra comprise entre 0, 1 pm et 1000 pm. Les procédés de fabrication décrits dans ce document ne sont cependant pas adaptés pour l’obtention de pièce, en AMA de moindre stabilité thermique, et de très petites dimensions et de géométrie complexe ou présentant un ratio hauteur/épaisseur élevé. En particulier, le procédé de coulée et pressage impose un temps pendant lequel l’alliage va être au contact du moule sans application de pression et donc sans remplir parfaitement l’empreinte. Cela va créer des points froids, qui susceptibles d’empêcher l’industrialisation et la bonne répétabilité du procédé de fabrication notamment pour les raisons potentiellement cumulatives suivantes:
- la réalisation de pièces complexes est compromise (géométries de petite dimensions, fines et avec des rapports de forme importants).
- l’obtention de pièce de bonne qualité est rendue difficile (les points froids peuvent provoquer des différences de viscosité et donc de comportement au remplissage)
- la fiabilité du procédé n’est pas garantie (contrôle de la coulée de l’alliage dans le moule)
- l’obtention de pièces en alliages non stables thermiquement est problématique (le temps entre la coulée et l’application de la pression doit être suffisamment important pour ne pas refroidir suffisamment rapidement l’alliage et donc créer des défauts métallurgiques tels que des cristaux).
Les méthodes proposées actuellement ne sont donc pas satisfaisantes pour que les opérations de fabrication soient aisées et pour que les pièces en AMA obtenues présentent des qualités suffisantes.
En outre, concernant les pièces en AMA de très petites dimensions (notamment de longueur comprise entre 0, 1 mm et 25 mm, préférentiellement 0,5 mm et 10 mm dans la plus grande dimension de la pièce) et présentant un ratio hauteur/épaisseur important et des caractéristiques géométriques très fines (motif de surface d’une précision inférieure à 5 pm ou même inférieure ou égale à 1 pm,), elles sont actuellement fabriquées par des procédés de mise en forme par thermoformage.
Les procédés de thermoformage consistent à chauffer à une température supérieure à la température de transition vitreuse de GAMA (Tg) un lopin d’alliage sous forme solide et présentant déjà une structure amorphe et à le mettre en forme à l’aide d’une pression mécanique. Ces procédés nécessitent donc l’obtention dans un premier temps de lopins amorphes par coulée, ces lopins étant ensuite thermoformés. Ils subissent lors du thermoformage une montée en température, température qui est maintenue durant toute la mise en forme. Une fois la mise en forme terminée, l’alliage est refroidi à une température inférieure à Tg.
Lorsqu’un AMA est remonté à une température proche de Tg, la mobilité atomique est facilitée et sa viscosité diminuée, permettant ainsi sa mise en forme. Mais cette mobilité atomique peut également faciliter l’organisation des atomes et donc la cristallisation du lopin d’AMA. Afin de conserver la structure amorphe de la pièce lors du thermoformage, l’alliage doit donc présenter une stabilité thermique suffisamment importante pour permettre la mise en forme sans cristalliser. Ceci est d’autant plus important dans le cas de mise en forme de microcomposants avec des rapports de formes élevés, où un temps de mise en forme plus long est nécessaire. Classiquement, pour le thermoformage, les paramètres utilisés sont une température permettant d’obtenir une viscosité entre 106 et 108 Pa.s et des temps de maintien à ces températures avant cristallisation de l’ordre de 3 à 5 min (Kumar et al.
201 1 , Bulk Metallic Glass The Smaller the Better, notamment accessible par le lien internet : https://doi.org/10.1002/adma.201002148).
Actuellement, la fabrication de microcomposants est donc limitée à l’utilisation de compositions présentant une stabilité thermique importante, c’est-à-dire une stabilité thermique telle que DTc de GAMA soit supérieure à 100, avec DTc, la différence de température DT entre la température de cristallisation Tx et la température de transition vitreuse Tg et/ou encore telle que le critère de stabilité thermique normalisé, ATx/(Tl-Tg) est supérieur à 0, 18. L’utilisation d’AMA stables thermiquement limite les compositions d’alliage utilisables et les alliages les plus stables ne présentent pas forcément les compromis de propriétés les plus intéressants en fonction de l’application visée. De plus, les alliages présentant une bonne stabilité thermique comprennent généralement des éléments tels que des métaux précieux, qui sont donc très coûteux et non adaptés à l’industrialisation. D’autres alliages de bonne stabilité thermique contiennent des éléments nocifs tels que le béryllium.
De plus, les procédés impliquant une étape de thermoformage nécessitent au moins au moins étapes de fabrication (coulée du lopin puis thermoformage) et des temps de mise en forme très longs, ce qui rend de tels procédés difficilement industrialisables.
Il existe également un besoin d’un procédé de fabrication aisé et facilement industrialisable quel que soit la stabilité thermique de PAMA. En outre, il existe un besoin de pièces en AMA de moindre stabilité thermique présentant des rapports de forme particuliers et des qualités suffisantes
Résumé
Selon un mode de réalisation, il est proposé un dispositif de moulage par injection d’un alliage métallique, destiné à la fabrication d’au moins une pièce en un alliage métallique amorphe ou verre métallique, qui comprend :
un moule d’injection délimitant une cavité qui présente une face de réception et une face frontale de moulage en regard de la face de réception,
au moins un insert sacrificiel, placé dans ladite cavité et présentant une face arrière dont au moins une zone d’appui est adjacente à au moins une zone d’appui de ladite face de réception de la cavité et une face avant située en regard de ladite face de moulage du moule et pourvue d’une forme en creux,
une empreinte de moulage correspondant à l’espace laissé libre dans la cavité comprenant l’insert sacrificiel et
un piston d’injection mobile dans une chambre du moule, qui communique avec l’empreinte de moulage ;
dans lequel l’empreinte de moulage est configurée de sorte que le diamètre des sphères géométriques inscrites dans cette empreinte de moulage et ayant au moins un point de contact avec l’insert sacrificiel est au plus égal à une fois et demie ( 1 ,5 fois) le diamètre critique de l’alliage métallique, préférentiellement au plus égal à une fois et deux dixièmes de fois ( 1 ,2 fois) le diamètre critique de l’alliage métallique, ou encore au plus égal à une fois ( 1 fois) le diamètre critique (De) de l’alliage métallique spécifique. Ladite cavité peut être configurée de sorte qu’après démoulage de la pièce pourvue de l’insert sacrificiel, au moins ladite zone d’appui de la face arrière de l’insert sacrificiel est découverte.
La cavité peut présenter une face périphérique jointe à la face de réception.
Le bord périphérique de la face de réception peut être joint au bord d’extrémité, qui lui est adjacent, de la face périphérique de la cavité. L’insert sacrificiel peut être en forme de plaque.
La face frontale de moulage peut comprendre une face de la cavité du moule.
La face frontale de moulage peut comprendre une face frontale du piston d’injection.
La zone d’appui de la face arrière de l’insert sacrificiel peut être collée au-dessus de la zone d’appui de la face de réception de la cavité du moule.
Au moins une partie de la périphérie de l’insert sacrificiel peut être insérée entre deux parties du moule.
La face de réception de la cavité peut présenter un évidement dans lequel l’insert sacrificiel est au moins en partie engagé.
L’insert sacrificiel peut comprendre une pluralité de couches superposées définissant entre elles au moins un espace de prolongement de l’empreinte.
L’insert sacrificiel peut être composé d’au moins un matériau ayant une conductivité thermique d’au moins 20 W m- 1 K- l , préférentiellement d’au moins 40 W m- 1 K- l .
Le dispositif peut être adapté pour la fabrication de pièces présentant une capacité de déformation élastique d’au moins 1.2%, préférentiellement d’au moins 1.5%.
Il est également proposé un procédé de fabrication d’au moins une pièce en un alliage métallique amorphe, mettant en œuvre un moule d’injection tel que précédemment décrit, comprenant les étapes suivantes :
mettre en place ledit insert sacrificiel au-dessus de ladite face de réception d’au moins une partie du moule,
assembler les parties du moule, injecter dans ladite empreinte de moulage un métal ou un alliage métallique à l’état liquide et solidifier le métal ou l’alliage métallique moulé pour obtenir une pièce moulée présentant au moins partiellement une structure amorphe, préférentiellement présentant une structure amorphe,
désassembler les parties de moule et extraire la pièce moulée pourvue de l’insert sacrificiel, et
séparer l’insert sacrificiel et la pièce moulée.
Il est également proposé un procédé de fabrication d’au moins une pièce en un alliage métallique amorphe, mettant en œuvre un moule d’injection tel que précédemment décrit, comprenant les étapes suivantes :
assembler les parties du moule,
mettre en place ledit insert sacrificiel au-dessus de ladite face de réception d’au moins une partie du moule,
injecter dans ladite empreinte de moulage un métal ou un alliage métallique à l’état liquide et solidifier le métal ou l’alliage métallique moulé pour obtenir une pièce moulée présentant au moins partiellement une structure amorphe, préférentiellement présentant une structure amorphe,
désassembler les parties de moule et extraire la pièce moulée pourvue de l’insert sacrificiel, et
séparer l’insert sacrificiel et la pièce moulée.
Le moule comprenant l’insert sacrificiel peut être chauffés préalablement à l’étape d’injection à une température comprise entre 250°C et Tg+ 100°C, préférentiellement entre Tg- 150°C et Tg+30°C et plus préférentiellement encore à Tg± 20°C, avec Tg la température de transition vitreuse de l’alliage métallique.
La séparation de l’insert et de la pièce moulée peut être réalisée par destruction de l’insert sacrificiel, préférentiellement par destruction de l’insert sacrificiel par une attaque chimique sélective dans un bain.
Avant ou après l’étape de séparation, une étape d’enlèvement du surplus de matière, peut être réalisée de sorte à obtenir une pièce définitive.
Le procédé peut comprendre une étape ultérieure de traitement thermique de la pièce moulée et/ou d’une pièce définitive obtenue. ,L’étape d’injection de l’alliage métallique peut avoir une durée inférieure à 100 ms, préférentiellement inférieure à 50 ms et plus préférentiellement encore inférieure à 20 ms.
Il est également proposé une pièce en alliage métallique amorphe susceptible d’être obtenue selon le procédé selon l’une quelconque des revendications 14 à 17, tel que :
-l’alliage métallique amorphe présente :
i) un DTc inférieur à 100°C, préférentiellement inférieur à 80°C et plus préférentiellement encore inférieur à 60°C,
DTc étant la différence entre la température de cristallisation Tx et la température de transition vitreuse Tg ;
et/ou
ii) un critère de stabilité thermique normalisé ATx/(Tl-Tg) inférieur à 0.18, préférentiellement inférieur à 0.15 et plus préférentiellement encore inférieur à 0. 12, ou encore inférieur à 0.10 ; .
la pièce présente a) une épaisseur inférieure à l OOpm et un ratio hauteur/épaisseur supérieur à 8 ou b) une épaisseur inférieure à 50 pm et un ratio hauteur/épaisseur supérieur à 4 ou c) une épaisseur inférieure à 40 pm et un ratio hauteur/épaisseur supérieur à 2.
Les faces des flancs de la pièce formés à l’aide de l’insert sacrificiel peuvent présenter une rugosité moyenne Ra inférieure à 1 pm, préférentiellement inférieure à 0.5 pm et plus préférentiellement encore inférieure à 0.1 pm.
La pièce peut être constituée d’un alliage métallique présentant une Tl supérieure à 700°C.
Brève description des dessins
D’autres caractéristiques, détails et avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-après, et à l’analyse des dessins annexés, sur lesquels :
[Fig 1 ] représente une coupe longitudinale d’un dispositif de moulage, selon l’axe d’un piston d’injection ;
[Fig 2] représente une coupe transversale selon II-II du dispositif de moulage de la figure 1 ; [Fig 3] représente une coupe transversale d’une variante de réalisation du dispositif de moulage de la figure 1 ;
[Fig 4] représente une coupe transversale d’une autre variante de réalisation du dispositif de moulage de la figure 1 ;
[Fig 5] représente une coupe transversale d’une autre variante de réalisation du dispositif de moulage de la figure 1 ; et
[Fig 6] représente une coupe longitudinale d’un autre dispositif de moulage, selon l’axe d’un piston d’injection.
[Fig 7] représente une analyse DRX d’un alliage métallique amorphe. [Fig 8] représente une analyse DRX d’un alliage métallique partiellement amorphe.
[Fig 9] représente une analyse DRX d’un alliage métallique cristallin.
[Fig 10] représente une analyse DRX des pièces obtenues à l’exemple 1. Description des modes de réalisation
Dans ce qui précède, il convient de préciser les définitions suivantes.
On entend par « un » ou « une », « au moins un » ou « au moins une » respectivement.
On entend ici par « alliage métallique amorphe » ou « AMA » ou « verre métallique » des métaux ou des alliages métalliques qui ne sont pas cristallins, c’est-à-dire dont la distribution atomique est majoritairement aléatoire. Néanmoins, il est difficile d’obtenir un verre métallique amorphe à cent pour cent car il subsiste le plus souvent une fraction du matériau qui est de nature cristalline. On peut donc généraliser cette définition à des métaux ou des alliages métalliques qui sont partiellement cristallins et qui, donc, contiennent une fraction de cristaux, tant que la fraction amorphe est majoritaire. Généralement, la fraction de la phase amorphe est supérieure à 50%.
Ainsi on entend par « pièce moulée présentant au moins partiellement une structure amorphe » une pièce dont la fraction de la phase amorphe est supérieure à 50% .
On précise ici qu’une structure métallurgique est dite amorphe ou entièrement amorphe lorsqu’une analyse par diffraction des rayons X , telle que décrite ci-dessous ne met pas en évidence des pics de cristallisation.
On entend par « diamètre critique » (De) d’un alliage métallique spécifique l’épaisseur limite maximum en deçà de laquelle l’alliage métallique présente une structure métallurgique entièrement amorphe ou au-delà de laquelle il n’est plus possible d’obtenir une structure métallurgique entièrement amorphe, lorsque l’alliage métallique est moulé depuis un état liquide et est soumis à un refroidissement rapide tel que le transfert de la chaleur à l’intérieur de l’alliage métallique soit optimal. Plus spécifiquement, le diamètre critique est déterminé par moulage successif de barreaux cylindriques (généralement de longueur supérieure à 50mm) de différents diamètres, moulées depuis l’état liquide dans les conditions suivantes :
L’alliage est mis en fusion à une température de Tl + 150°C avec Tl, la température de liquidus de l’alliage (en °C) ;
Il est moulé dans un moule en cuivre de type CuCl et est refroidi à une température maximum d’environ vingt degrés Celsius (20°C). L’alliage est élaboré et moulé sous atmosphère inerte et de haute pureté (e.g. sous argon de qualité 6.0) ou sous vide secondaire (pression < 10~4mbar).
L’alliage est moulé avec un système permettant l’application d’un différentiel de pression pour faciliter le moulage de l’alliage et assurer un contact intime entre l’alliage et les parois du moule afin d’assurer le refroidissement rapide de l’alliage. L’étape de moulage peut être réalisée sous une pression de 20 MPa. Ce système peut être mécanique (e.g. piston) ou gazeux (application d’une surpression).
Après moulage, les barreaux sont coupés afin d’obtenir une tranche (section transversale du cylindre préférentiellement située vers le milieu du barreau, épaisseur comprise entre 1 et 10 mm) et analysés par diffraction des rayons X (DRX) a minima pour déterminer si les tranches présentent une structure amorphe ou partiellement cristalline. Le diamètre critique est alors déterminé comme étant le diamètre maximum pour lequel la structure est amorphe (la présence de bosses caractéristiques des AMA est alors mise en évidence par diffraction des rayons X). Etant donné qu’il existe le plus souvent des défauts dans les structures métallurgiques, un alliage 100% amorphe est quasi impossible à obtenir et le diamètre critique peut être défini comme le diamètre au- dessus duquel une analyse par diffraction des rayons X met clairement en évidence des pics de cristallinité. Une telle évaluation du caractère amorphe d’un alliage métallique est détaillée dans l’article Cheung et al. , 2007 (Cheung et al. (2007) « Thermal and mechanical properties of Cu- Zr-Al bulk metallic glasses) » doi: 10. 1016/j .jallcom.2006.08.109) . Elle permet de faire une analyse moyenne sur une surface et de s’affranchir des quelques défauts métallurgiques inévitables tout en analysant uniquement les cristaux de tailles significative (supérieure à quelques nanomètres) et/ou en quantité significative. Les figures 7, 8 et 9 représentent une analyse DRX telle que décrite précédemment d’un alliage métallique à l’état amorphe, partiellement amorphe (on retrouve la bosse caractéristique des AMA mais avec la présence de pics) et cristallin respectivement.
Les alliages métalliques selon la présente description sont préférentiellement choisis parmi les alliages dont l’élément majoritaire est choisi parmi le zirconium, le cuivre, le nickel, le fer, le palladium, le titane, le cobalt et l’hafnium. Selon un mode de réalisation préféré, il s’agit d’un alliage choisis parmi ceux cités en annexe 2 (pp. 189- 192) de la thèse de doctorat « Etude des relations entre caractéristiques structurales et dissipation en vibration dans les verres métalliques massifs. Application à des senseurs inertiels. » soutenue le 22 novembre 2006 par Cédric Haon.
On entend par alliage métallique « à l’état liquide » un alliage métallique ayant une température supérieure ou égale à sa température de liquidus. La température de liquidus étant déterminée avec des analyses DTA (differential thermal analyzer) telles que notamment décrites dans le document Li et al., 2012 (Li et al. (2012) “Effects of Cu, Fe and Co addition on the glass-forming ability and mechanical properties of Zr-Al- Ni bulk metallic glasses”, notamment accessible par le lien internet: https://doi.org/10.1007/s 1 1433-012-4919-y). La stabilité thermique des AMA peut être caractérisée de plusieurs façons, notamment en évaluant :
- le diamètre critique De (comme détaillé précédemment),
la différence ATx entre la température de cristallisation (Tx) et la température de transition vitreuse (Tg) de G AMA ; et
le critère de stabilité thermique normalisé ATx/(Tl-Tg) . où Tl est la température de liquidus de l’alliage.
Les températures sont mesurées à l’aide d’une DSC à une vitesse de montée de 20°C/min. Les températures Tg, Tx sont ensuite extraites des courbes de DSC. La température de liquidus Tl est déterminée avec des analyses DTA comme expliqué précédemment. En particulier, la détermination de la température de liquidus Tl peut être réalisée selon la méthode indiquée dans l’article Un exemple est montré dans l’article Li et al., 2012 (Li et. Al. (2012) « Effects of Cu, Fe and Co addition on the glass-forming ability and mechanical properties of Zr-Al-Ni bulk metallic glasses” notamment accessible par le lien internet: https://doi.org/10.1007/s l l433-012-4919-y) avec une montée de 0,67K/s pour l’analyse DSC et 0,33K/s pour l’analyse DTA.
La rugosité moyenne Ra de la pièce moulée est déterminée suivant la norme ISO 25178.
On entend par « insert sacrificiel » une partie d’un moule d’injection à usage unique. L’insert sacrificiel peut être en silicium, en graphite pyrolytique, en un métal (par exemple en aluminium ou en cuivre), en un verre (par exemple en silice) ou en une céramique (par exemple en alumine). Il est détruit après l’étape de solidification de l’alliage métallique moulé. La destruction est préférentiellement réalisée par une attaque chimique sélective, plus préférentiellement par une attaque chimique sélective dans un bain.
La conductivité thermique de l’insert est évaluée selon la méthode Flash (Parker et al. (2004)“Flash Method of Determining Thermal Diffusivity, Heat Capacity, and Thermal Conductivity”, notamment accessible par le lien internet: https://doi.Org/10.1063/l . 1728417).
On entend par « sphères géométriques inscrites » les sphères géométriques dont les diamètres maximums sont tels qu’elles sont coincées ou immobilisées entre des points des parois de l’empreinte de moulage.
Les pièces en AMA moulées dans les cavités de l’insert sacrificiel présentent une hauteur, une longueur et une épaisseur.
On définit la surface supérieure de la face avant de Finsert sacrificiel 9 ou 109 comme étant la face avant 9 ou 109 sans les faces comprises dans les cavités 17 ou 1 17 de Finsert sacrificiel. La surface supérieure de la face avant de Finsert sacrificiel 9 ou 109 est par exemple représentée par le plan de la surface 16 de la Figure 1.
- La hauteur peut être définie comme étant la plus grande distance normale à la surface de la pièce formée par la surface supérieure de la avant de Finsert sacrificiel 9 ou 109 et mesurée entre la surface de la pièce formée par la surface supérieure de la face avant de F insert sacrificiel 9 ou 109 et les surfaces de la pièce formées par la cavité 17 ou 1 17 de Finsert sacrificiel.
Les flancs de la pièce sont définis comme étant les surfaces formées par la cavité 17 ou 1 17 de Finsert sacrificiel adj acentes à la surface de la pièce formée par la surface supérieure de la face avant de F insert sacrificiel 9 ou 109. Les flancs de pièces sont généralement perpendiculaires à la surface de la pièce formée par la surface supérieure de la face avant de Finsert sacrificiel 9 ou 109, avec un intervalle de tolérance de + ou - 5°. Les flancs peuvent également présenter des angles inférieurs ou supérieurs à 90°.
l’épaisseur est définie comme étant le plus petit diamètre des sphères géométriques inscrites dans les zones de la pièce formée par la cavité 17 ou 1 17 de Finsert sacrificiel ayant au moins un point de contact avec deux flancs de la pièce.
Le rapport de forme ou ratio hauteur/épaisseur est définie comme étant le rapport de hauteur et de l’épaisseur dans une zone donnée de la pièce (section perpendiculaire à la surface de la pièce formée par la surface supérieure de la face avant de Finsert sacrificiel 9 ou 109). Une pièce peut donc présenter un ratio hauteur/épaisseur différent pour chaque zone donnée de la pièce (selon les variations de dimensions observées dans les différentes zones de celle-ci). On entend par « ratio hauteur/épaisseur » de la pièce le ratio maximum que peut présenter ladite pièce.
En d’autres termes et selon un mode préféré, la hauteur, l’épaisseur et la longueur de la pièce peuvent être définis comme suit :
On définit préalablement la surface supérieure de la face avant de l’insert sacrificiel 9 ou 109 comme étant la face avant 9 ou 109 sans les faces comprises dans les cavités 17 ou 1 17 de l’insert sacrificiel. La surface supérieure de la face avant de l’insert sacrificiel 9 ou 109 est représentée par le plan de la surface 16 dans la Figure 1.
La longueur est définie comme étant la plus grande dimension dans le plan de la pièce formé par la surface supérieure de la face avant de l’insert sacrificiel 9 ou 109.
Dans une zone donnée de la pièce (section perpendiculaire à la surface de la pièce formée par la surface supérieure de la face avant de l’insert sacrificiel 9 ou 109).
- L’épaisseur est définie comme étant la plus petite distance parallèle au plan de la pièce formé par la surface supérieure de la face avant de l’insert sacrificiel 9 ou 109 mesurée entre les faces de la pièce formées par la cavité 17 ou 1 17 de l’insert sacrificiel.
La hauteur peut être définie comme étant la plus grande distance normale au plan de la pièce formé par la surface supérieure de la face avant de l’insert sacrificiel 9 ou 109 et mesurée entre la surface supérieure de la face avant de l’insert sacrificiel 9 ou 109 et les surfaces de la pièce formées par la cavité 17 ou 1 17 de l’insert sacrificiel.
Le rapport de forme ou ratio hauteur/épaisseur est définie comme étant le rapport de hauteur et de l’épaisseur dans une zone donnée de la pièce. Une pièce peut donc présenter un ratio hauteur/épaisseur différent pour chaque zone donnée de la pièce
(selon les variations de dimensions observées dans les différentes zones de celle-ci). On entend par « ratio hauteur/épaisseur » de la pièce le ratio maximum que peut présenter ladite pièce. Des dispositifs de moulage par injection, destinés à la fabrication de pièces en verres métalliques, et leurs modes de fonctionnement vont maintenant être décrits à titre d’exemples non limitatifs, et illustrés par les dessins.
Sur les figures 1 et 2, il est illustré un dispositif 1 de moulage par injection, destiné à la fabrication de pièces en verre métallique.
Le dispositif de moulage 1 comprend un moule permanent d’injection 2, en plusieurs parties, qui délimite une cavité 3 qui présente une face de réception 4, une face frontale 5 en regard de la face de réception 4 et une face périphérique 6.
La face de réception 4 et la face périphérique 6 de la cavité 3 sont jointes. En d’autres termes, le bord périphérique de la face de réception 4 est joint au bord d’extrémité, qui lui est adj acent, de la face périphérique
6. La cavité 3 est donc formée en totalité d’un côté de la face de réception 4.
Le dispositif de moulage 1 comprend un insert sacrificiel de conformation 7, en forme de plaque, placé dans la cavité 3 et présentant une face arrière 8 dont une zone d’appui est adjacente à une zone d’appui de la face de réception 4 de la cavité 3 et une face avant 9 située en regard de la face frontale 5.
Est ainsi créée une empreinte de moulage 10 correspondant à l’espace laissé libre dans la cavité 3 après avoir disposé l’insert sacrificiel 7 à l’intérieur de la cavité 3 , au-dessus de la zone d’appui de la face de réception 4 de la cavité 3.
Une forme de la pièce à mouler dans l’empreinte de moulage 10 est déterminée par une forme spécifique de l’insert sacrificiel 7, qui constitue le négatif de la pièce à mouler. La forme de la pièce définitive à réaliser peut être incluse dans la forme spécifique de l’insert sacrificiel
7. Le reste de l’empreinte de moulage 10 peut constituer un surplus de matière.
Le dispositif de moulage 1 comprend un piston d’inj ection 1 1 mobile dans une chambre d’injection 12 du moule, qui communique avec l’empreinte de moulage 10. Le dispositif de moulage 1 permet le moulage par injection d’une pièce en une seule étape (injection sous pression de l’alliage métallique en fusion). Cela permet notamment d’avoir un excellent contrôle du temps de remplissage et de la conformation de la pièce. L’étape de moulage par injection se déroulant en une seule étape, le temps de remplissage/conformation est ainsi minimisé, permettant ainsi le moulage de géométries complexes et de faibles dimensions. En effet, un remplissage rapide de l’empreinte permet de limiter le refroidissement de l’alliage au cours du remplissage et permet de remplir des cavités de très petites dimensions et de façon très précise (très bonne conformation de l’alliage dans les cavités de l’insert sacrificiel). Les pièces formées dans la cavité de l’insert sacrificiel peuvent alors avoir les caractéristiques d’épaisseur très faible et de ratio hauteur/épaisseur élevé telles que revendiquées ainsi qu’une rugosité moyenne Ra de leurs flancs inférieure à 1 pm, préférentiellement inférieure à 0,5 pm et plus préférentiellement encore inférieure à 0, 1 pm
La maîtrise du temps de remplissage permet également le remplissage de section d’une empreinte de moulage configurée de sorte que le diamètre des sphères géométriques inscrites, en contact avec ses parois latérales opposées et ayant au moins un point de contact avec l’insert sacrificiel, soit inférieur à 1mm, préférablement inférieur à 0,75mm et encore plus préférablement inférieur à 0,5mm. Ce type d’empreinte permet un meilleur contrôle de la thermique (refroidissement de l’alliage, température de l’insert sacrificiel et température d’interface AMA/insert sacrificiel). Ce contrôle de la thermique permet donc également la fabrication de pièces, avec les caractéristiques géométriques citées ci- dessus, avec des alliages présentant des De de petites dimensions et/ou présentant une faible stabilité thermique.
Le contrôle de la thermique permet également d’éviter la cristallisation de surface, qui peut par exemple apparaître lors de l’injection d’alliages avec des températures de liquidus supérieure à 700°C ou avec des alliages composés d’éléments qui viendront rapidement réagir avec le matériau de l’insert sacrificiel. En effet, plus le temps de refroidissement de l’alliage sera court et plus la température d’interface sera limitée, plus les phénomènes de diffusion pouvant avoir lieu entre l’insert sacrificiel et GAMA seront limités, voir même supprimés. Le fait d’empêcher la cristallisation de surface permet d’obtenir des pièces de meilleure qualité, avec par exemple une meilleure tenue en corrosion ou fatigue.
Le dispositif de moulage 1 peut être utilisé de la manière suivante.
Le moule permanent 2 étant ouvert de sorte à ouvrir la cavité 3, on met en place l’insert sacrificiel 7 au-dessus de la face de réception 4 de la cavité 3.
Puis, on assemble les parties du moule permanent 2 de sorte à fermer la cavité 3 et constituer l’empreinte de moulage 10.
Puis, sous l’effet du piston 1 1 qui se déplace dans la chambre d’injection 12 et génère une pression d’injection, on injecte un alliage métallique à l’état liquide dans l’empreinte de moulage 10. La température du moule 2 et de l’insert sacrificiel 7 induit un refroidissement rapide et une solidification de l’alliage métallique injecté dans l’empreinte de moulage 10.
Ensuite, on désassemble les parties du moule permanent 2 de sorte à démouler la pièce réalisée, en même temps que l’insert sacrificiel 7 est extrait.
La cavité 3 est avantageusement configurée de sorte qu’après démoulage de la pièce réalisée, pourvue de l’insert sacrificiel 7, au moins la zone d’appui de la face arrière 8 de l’insert sacrificiel 7 au-dessus de zone d’appui de la face de réception 4 de la cavité 3 soit découverte.
Puis, on procède à la destruction de l’insert sacrificiel 7, par exemple par une attaque chimique sélective de dissolution dans un bain adapté, de sorte à ne conserver que la pièce moulée. Après quoi, dans une étape ultérieure, on procède à un enlèvement du surplus de matière de la pièce moulée de sorte à obtenir la pièce définitive souhaitée.
Selon une variante de réalisation, on procède à un enlèvement du surplus de matière de la pièce moulée, puis on procède à la destruction de l’insert sacrificiel 7. Avantageusement, la pièce définitive peut être déterminée uniquement par la matière contenue à l’intérieur de la forme en creux 17. La partie de l’empreinte de moulage 10 située entre la face 16 de l’insert sacrificiel 7 et la face frontale 5 de la cavité constitue alors un surplus de matière à enlever.
Par ailleurs, une étape ultérieure de traitement thermique de la pièce moulée et/ou de la pièce définitive obtenue peut être réalisée.
Les conditions liées aux propriétés thermiques du moule permanent 2 et de l’insert sacrificiel 7, à la température de l’alliage métallique à l’état liquide et à la vitesse d’injection, sont favorables à l’obtention, à partir de l’alliage métallique à l’état liquide, d’une pièce moulée en verre métallique, c’est-à-dire présentant une structure métallurgique au moins partiellement amorphe.
Le moule permanent 2 peut être en cuivre, en un acier adapté, en un alliage réfractaire.
L’insert sacrificiel 7 est composé d’au moins un matériau ayant une conductivité thermique d’au moins vingt Watts par mètre et par degré Kelvin 20 W m 1 K 1 , avantageusement d’au moins quarante Watts par mètre et par degré Kelvin (40 W m 1 K 1 ).
L’insert sacrificiel 7 peut être en silicium, en graphite pyrolytique, en un métal (par exemple en aluminium ou en cuivre), en un verre (par exemple en silice) ou en une céramique (par exemple en alumine).
L’empreinte de moulage 10 est configurée de sorte que le diamètre des sphères géométriques inscrites dans cette empreinte de moulage 10 et ayant au moins un point de contact avec l’insert sacrificiel est au plus égal à une fois et demie ( 1 ,5 fois), avantageusement au plus égal à une fois et deux dixième de fois ( 1 ,2 fois), le diamètre critique (De) de l’alliage métallique spécifique mis en œuvre, et plus préférentiellement encore au plus égal à une fois ( 1 fois), le diamètre critique (De) de l’alliage métallique spécifique mis en œuvre. Selon un mode de réalisation avantageux et compatible avec le mode précédent, l’empreinte de moulage est configurée de sorte que le diamètre des sphères géométriques inscrites dans cette empreinte de moulage et ayant au moins un point de contact avec l’insert sacrificiel est au plus égal à lmm, préférablement au plus égal à 0,75mm et encore plus préférablement au plus égal à 0,5mm. Une telle configuration de l’empreinte est ainsi réalisée dans le but d’obtenir une pièce moulée présentant les caractéristiques métallurgiques d’un alliage métallique amorphe ou verre métallique, les sphères géométriques inscrites et le diamètre critiques ayant été définis précédemment.
Selon l’exemple de réalisation illustré sur les figures 1 et 2, la face de réception 4 de la cavité 3 comprend un évidement 13 dans lequel est engagé l’insert sacrificiel 7. Le fond 14 de l’évidement 13 constitue une zone d’appui pour la face arrière 8 de l’insert sacrificiel 7.
La face périphérique 6 de la cavité 3 est à distance du bord périphérique de l’évidement 13, de sorte que la face de réception 4 comprend une portion 15 qui entoure l’évidement 13.
Le fond 14 de l’évidement 13 et la portion 15 sont parallèles entre eux et sont parallèles à la face frontale 5 de la cavité 3.
La périphérie de l’évidement 13 est ajustée à la périphérie de l’insert sacrificiel 3, sans jeu ou avec un faible jeu.
La face avant 9 de l’insert sacrificiel 3 comprend une surface 16 située dans le plan de la portion 15 de la face 4 de la cavité 3 et, en dépression par rapport à cette surface 16, une forme 17 correspondant au négatif d’une forme d’une pièce ou à une portion d’une pièce à mouler.
Selon un mode de réalisation alternatif, la face avant 9 de l’insert sacrificiel 3 comprend une surface 16 située en dépression par rapport au plan de la portion 15 de la face 4 de la cavité 3 et, en dépression par rapport à cette surface 16, une forme 17 correspondant au négatif d’une forme d’une pièce ou à une portion d’une pièce à mouler. Ce mode de réalisation est particulièrement avantageux dans l’exemple de réalisation illustré sur la figure 4 et détaillé ci-après afin d’éviter toute pression et/ou mise en flexion de l’insert sacrificiel lors de l’assemblage du moule.
Dans le cas présent, on peut distinguer plusieurs sphères différentes inscrites dans l’empreinte de moulage 10, entre la face frontale 5 de la cavité 3 et la face avant 9 de l’insert sacrificiel 3. Plus particulièrement, on peut distinguer des sphères inscrites ayant un point de contact sur la face frontale 5 de la cavité 3 et un point de contact sur les zones de la face avant 9 de l’insert sacrificiel 7, par exemple parallèles à la face avant 9 de l’insert sacrificiel 7. On peut distinguer également des sphères inscrites ayant un point de contact sur la face frontale 5 de la cavité 3 et des points de contact sur les bords de la forme en creux 17 de la face avant 9 de l’insert sacrificiel 7. On peut distinguer encore des sphères inscrites ayant un point de contact sur la face frontale 5 de la cavité 3 et des points de contact sur le ou les fonds de la forme en creux 17 de la face avant 9 de l’insert sacrificiel 7.
La forme en creux 17 définie par l’insert sacrificiel 7, en regard de la face 5 de la cavité 3, peut être réalisée sur une partie de l’épaisseur de l’insert sacrificiel 7.
Néanmoins, la forme en creux 17 peut présenter une ou des parties qui traversent l’insert sacrificiel 7, de sorte que cette forme en creux 17 s’étende jusqu’à la face de réception 4 de la cavité 3. Dans ce cas, les zones d’appui de l’insert sacrificiel 7 et de la face de réception 4 de la cavité 3, au-dessus de l’une sur l’autre, par exemple au fond de l’évidement 13, sont réduites.
Selon l’exemple représenté, l’un des côtés de la face périphérique 6 de la cavité 3 , à savoir le côté 6a, est ouvert et communique avec la chambre d’injection 12 du moule 2. Par exemple, l’axe 18 de la chambre 12 et du piston 1 1 est situé dans le plan de la portion 15. de la face de réception 4 de la cavité 3. Le piston 1 1 produit une injection latérale de la matière dans l’empreinte de moulage 10. Une telle configuration du dispositif a pour avantage de faciliter la répétabilité du procédé. L’empreinte formée par la cavité (3) et l’insert sacrificiel permet en effet de garantir que les diamètres des sphères géométriques inscrites dans l’empreinte de moulage 10 et ayant au moins un point de contact avec l’insert sacrificiel sont touj ours les mêmes et ce même si la quantité de l’alliage injecté varie légèrement d’une injection à l’autre. Cela donne donc plus de souplesse sur le procédé au niveau de la calibration de la quantité de matière à injecter. De plus, , dans le cas où la suppression du surplus de matière est nécessaire, la répétabilité géométrique et dimensionnelle facilite l’industrialisation de cette étape (quantité de matière à supprimer constante, mise en position identique pour toutes les pièces, ...).
Par exemple, le moule 2 comprend deux parties 19 et 20 dont le plan de joint 21 est situé dans le plan de la portion 15 de la face de réception 4 de la cavité 3, qui contient également l’axe 18.
Selon une disposition particulière représentée sur les figures 1 et 2, l’axe 18 de la chambre 12 et du piston 1 1 est disposé horizontalement. L’insert sacrificiel 3 peut être posé sur le fond 14 de l’évidement 13. Lors de l’injection de l’alliage métallique dans l’empreinte de moulage 10, la pression d’injection applique la face arrière 8 de l’insert sacrificiel au- dessus du fond 14 de l’évidement 13. Néanmoins, l’insert sacrificiel 3 peut être collé sur le fond 14 de l’évidement 13.
L’axe 18 de la chambre 12 et du piston 1 1 pourrait être disposé verticalement, la cavité 3 étant au-dessus de la chambre d’injection 12, l’injection se produisant lorsque le piston 1 1 se déplace vers le haut. Selon un exemple de réalisation illustré sur la figure 3 , afin de faciliter le transfert de chaleur entre l’insert sacrificiel 7 et le moule permanent 2, une couche 22 en une matière conductrice de la chaleur est interposée entre au moins la zone d’appui de la face arrière 8 de l’insert sacrificiel 7 et la zone d’appui de la face de réception 4 de la cavité 3 du moule 2.
La couche conductrice de la chaleur 22 peut être -par exemple en graphite ou en aluminium, s’adaptant aux aspérités des faces d’appui du moule permanent 2 et de l’insert sacrificiel 7.
Dans le cas de l’insert sacrificiel 7 des figures 1 et 2, la couche conductrice de la chaleur 22 est située entre le fond 14 de l’évidement 13 et la face arrière 8 de l’insert sacrificiel 7 inséré dans cet évidement 13. Selon un exemple de réalisation illustré sur la figure 4, l’évidement 13 de la face de réception 4 de la cavité 3 s’étend, sur au moins une partie de son pourtour, au-delà de la paroi périphérique 6 de la cavité 3 et l’insert sacrificiel 7 disposé dans un tel évidement. L’insert sacrificiel 7 s’étend également, de façon correspondante, au-delà de la paroi périphérique 6 de la cavité 3. Ainsi, une partie périphérique 23 de 1,’insert sacrificiel 7 est ajustée ou insérée, sans jeu ou avec un faible jeu, entre les deux parties 19 et 20 du moule permanent 2.
Selon une autre disposition particulière non représentée, l’axe 18 de la chambre 12 et du piston 1 1 est disposé verticalement. La chambre d’alimentation 12 est placée au-dessous de la cavité 3 et donc de l’empreinte de moulage 10.
Dans ce cas, avantageusement, l’insert sacrificiel 7 est maintenu au- dessus de la face de réception 4 de la cavité 3 , par exemple dans l’évidement 13, par l’intermédiaire d’une couche de colle ou par l’intermédiaire d’une disposition équivalente à celle décrite ci-dessus en référence à la figure 4.
Selon un exemple de réalisation illustré sur la figure 5 , l’insert sacrificiel 7 comprend une pluralité de couches superposées 24 assemblées les unes sur les autres. De cette manière, la forme en creux 17 de l’insert sacrificiel 7 peut présenter des parties s’étendant localement entre deux couches successives, de sorte à réaliser des pièces complexes en escalier dans l’empreinte de moulage 10 qui inclut une telle forme en creux 17 complexe.
Sur la figure 6, il est illustré un dispositif de moulage par injection 101 qui se différencie du dispositif de moulage par injection 1 décrit précédemment par le fait qu’une cavité 103 d’un moule 102, en plusieurs parties, est formée par une partie terminale d’une chambre d’alimentation 1 12 dans laquelle un piston d’injection 1 1 1 est mobile selon un axe 1 18. Une face de réception 104 est formée et située en regard d’une face frontale radiale 1 1 1 a du piston 1 1 1 mobile dans la chambre d’injection 1 12. La face de réception 1 17, substantiellement radiale, est jointe à la paroi périphérique 106 de la chambre 1 12. En d’autres termes, un bord périphérique de la face de réception 104 est joint à un bord périphérique d’extrémité de la paroi périphérique 106 de la chambre 1 12. La cavité 103 est donc formée en totalité d’un côté de la face de réception 4, c’est- à-dire du côté de la face frontale 1 1 1 a du piston 1 1 1.
Un insert sacrificiel 107 est disposé au-dessus de la face de réception 104, du côté de la face frontale 1 1 1 a du piston 1 1 1. Les dispositions et formes décrites précédemment à propos de la face de réception 4 et de l’insert sacrificiel 7 peuvent être appliquées à la face de réception 104 et à l’insert sacrificiel 107.
Plus particulièrement l’insert sacrificiel 7 présente, depuis une face avant 109 située en regard de la face frontale 1 1 1 a du piston 1 1 1 , une forme en creux 1 17 correspondant, au moins partiellement, au négatif d’une pièce à mouler.
Cette fois, le piston 1 1 1 produit une injection frontale de la matière en direction de la face de réception 104 et donc de l’insert sacrificiel 107. II s’ensuit qu’une empreinte de moulage 1 10, incluant la forme en creux 1 17, est définie dans la position terminale d’injection du piston 1 1 1 , entre la face de réception 104 munie de l’insert sacrificiel 107 et la face frontale 1 1 1 a du piston 1 1 1.
Le montage de l’insert sacrificiel 107 sur la face de réception 104 peut être équivalent à l’un quelconque des montages de l’insert sacrificiel 7 sur la face de réception 4 de la cavité 3 décrits précédemment.
Les sphères géométriques inscrites dans l’empreinte de moulage 1 10, décrites précédemment, sont cette fois définies par rapport à la face frontale du piston 1 1 1 a, équivalente à la face frontale 5 de la cavité 3 de l’exemple précédent.
La position terminale d’inj ection du piston 1 1 1 , qui délimite la configuration de l’empreinte de moulage 1 10, est déterminée de sorte que le diamètre des sphères géométriques inscrites dans cette empreinte de moulage 1 10 est au plus égal à une fois et demie ( 1 ,5 fois), avantageusement une fois et deux dixièmes de fois ( 1 ,2 fois), le diamètre critique (De) de l’alliage métallique spécifique mis en œuvre, tel que défini précédemment, dans le but d’obtenir une pièce moulée présentant les caractéristiques métallurgiques d’un alliage métallique amorphe ou verre métallique. Selon un mode de réalisation préféré, le diamètre des sphères géométriques inscrites dans l’empreinte de moulage 1 10 est au plus égal à une fois ( 1 fois) le diamètre critique (De) de l’alliage métallique spécifique, préférentiellement au plus égal à 1mm, plus préférentiellement au plus égal à 0,75mm et encore plus préférablement au plus égal à 0,5mm. Un tel mode avantageux permet notamment d’éviter plus encore une réaction avec l’insert sacrificiel et d’obtenir des pièces présentant un état de surface optimisé, substantiellement exempt de cristaux de surface. Une cristallisation de surface est problématique notamment pour la tenue en fatigue des pièces ou encore la tenue en corrosion.
Selon une variante de réalisation, une empreinte intermédiaire de moulage peut être formée entre la chambre 1 12 du moule 102 et la face avant 109 de l’insert sacrificiel 1 17. La section d’une telle empreinte de moulage est configurée de sorte que le diamètre des sphères géométriques inscrites, en contact avec ses parois latérales opposées et ayant au moins un point de contact avec l’insert sacrificiel, est au plus égal à une fois et demie ( 1 ,5 fois), préférentiellement une fois et deux dixièmes de fois ( 1 ,2 fois), et plus préférentiellement encore au plus égal à une fois ( 1 fois), le diamètre critique (De) de l’alliage métallique spécifique mis en œuvre. Selon un mode de réalisation avantageux et compatible avec le mode précédent, l’empreinte de moulage est configurée de sorte que le diamètre des sphères géométriques inscrites dans cette empreinte de moulage et ayant au moins un point de contact avec l’insert sacrificiel est au plus égal à 1mm, préférentiellement au plus égal à 0,75mm et encore plus préférablement au plus égal à 0,5mm. Par exemple, cette empreinte intermédiaire de moulage s’étend axialement à la chambre 1 12 et est avantageusement cylindrique, son diamètre étant au plus égal à une fois et .· demie ( 1 ,5 fois), avantageusement une fois et deux dixièmes de fois ( 1,2 fois), et plus préférentiellement encore au plus égal à une fois ( 1 fois), le diamètre critique (De) de l’alliage métallique spécifique mis en œuvre.
Avantageusement, l’empreinte de moulage est configurée de sorte que le diamètre des sphères géométriques inscrites dans cette empreinte de moulage et ayant au moins un point de contact avec l’insert sacrificiel est au plus égal à 1mm, préférentiellement au plus égal à 0,75mm et encore plus préférablement au plus égal à 0,5mm.
Le dispositif de moulage par injection précédemment décrit et présenté sur la figure 6 a pour principal avantage d’être modulaire. Par modulaire, on entend ici la facilité par laquelle il est possible de modifier la configuration d’injection. En effet, les diamètres des sphères géométriques inscrites dans l’empreinte de moulage ( 1 10) et ayant au moins un point de contact avec l’insert sacrificiel peuvent être facilement modifiés en augmentant ou diminuant la quantité d’alliage injectée et ce, sans avoir à modifier les parties formant le moule ( 102).
Le moule d’injection tel que décrit ci-dessus permet la fabrication d’au moins une pièce en un alliage métallique amorphe, selon un procédé comprenant les étapes suivantes :
mettre en place ledit insert sacrificiel au-dessus de ladite face de réception d’au moins une partie du moule,
assembler les parties du moule,
injecter dans ladite empreinte de moulage un métal ou un alliage métallique à l’état liquide et solidifier le métal ou l’alliage métallique moulé pour obtenir une pièce moulée présentant au moins partiellement une structure amorphe,
désassembler les parties de moule et extraire la pièce moulée pourvue de l’insert sacrificiel, et
- séparer l’insert sacrificiel et la pièce moulée.
Selon une variante de réalisation, l’ordre des étapes de mis en place de l’insert sacrificiel au-dessus de la face de réception d’au moins une partie du moule et d’assemblage des parties du moule peut être inversé. Ce mode de réalisation est en particulier préféré lors d’un chargement automatique de l’insert dans le moule. L’assemblage des moules est alors réalisé puis l’insert est mis en place via une ouverture dédiée.
Selon un mode de réalisation, les étapes d’injection et de solidification sont réalisées sous vide secondaire, préférentiellement à une pression de 10-4 à 10-6 mbar. Le vide permet notamment de limiter la pollution de l’alliage au cours de sa mise en forme ainsi que de faciliter le remplissage du moule, donc de permettre une parfaite adéquation entre le moule et GAMA coulé (absence de gaz piégé).
Selon d’autres modes de réalisation, les étapes d’injection et de solidification sont réalisées sous vide primaire (de 10- 1 à 10-3 mbar) ou encore sous atmosphère contrôlée, par exemple sous argon. Préalablement à l’étape d’injection, le moule et l’insert sont chauffés afin de faciliter leur remplissage et d’éviter que l’alliage fondu ne se fige avant d’atteindre le fond de l’empreinte de moulage ainsi qu’afin d’assurer une très bonne conformation des cavités par l’alliage (reproduction des états de surface). Le chauffage permet également de limiter les chocs thermiques. La température de chauffage est avantageusement proche de la température de transition vitreuse Tg de l’alliage métallique amorphe moulé, préférentiellement la température de chauffage, exprimée en °C, est comprise entre 250°C et Tg+ 100°C, plus préférentiellement encore entre Tg- 150°C et Tg+30°C et encore plus préférentiellement à Tg±20°C.
Lors de l’étape d’injection, une pression est exercée sur l’alliage fondu pour assurer le remplissage du moule et permettre d’avoir un bon échange thermique entre le moule et l’alliage ainsi que d’assurer une grande précision de moulage. Cette pression peut être exercée à l’aide d’un système mécanique (e.g. un piston) et/ou l’aide d’une surpression gazeuse. Un différentiel de pression négatif (succion de l’alliage) peut également être utilisé. Selon un mode de réalisation avantageux, la pression est supérieure à lMPa, préférentiellement supérieure à 10 MPA. Avantageusement, elle est comprise entre l MPa et 150MPa, préférentiellement entre l OMPa et 80MPa.
Selon un mode de réalisation avantageux, le remplissage de l’empreinte est réalisé en un temps inférieur à 100 ms, préférentiellement inférieur à 50 ms et plus préférentiellement encore inférieur à 20 ms. En d’autres termes, l’étape d’injection de l’alliage métallique a une durée inférieure à 100 ms, préférentiellement inférieure à 50 ms et plus préférentiellement encore inférieure à 20 ms. Ce temps de remplissage rapide, couplé à un contrôle de la thermique optimisé (diamètre des sphères géométriques inscrites dans cette empreinte de moulage et ayant au moins un point de contact avec l’insert sacrificiel spécifique), peut notamment permettre l’utilisation d’alliages métalliques ayant des températures de liquidus élevées et est également utile pour limiter la réaction de l’alliage avec l’insert. En effet, la durée des étapes réalisées à hau.te température telle l’étape d’injection est extrêmement courte limitant ainsi voire supprimant les phénomènes de diffusion d’éléments entre l’alliage métallique et l’insert sacrificiel.
Une fois l’alliage métallique moulé et solidifié, l’insert sacrificiel, généralement solidaire de l’alliage, est supprimé et/ou dissout. Par exemple, lors de l’utilisation d’inserts sacrificiels composés de silicium, plus particulièrement d’inserts SOI (Silicon On Insulator), un bain de KOH avec une concentration entre 10 et 40% et une température entre 60 et 90°C permettant une vitesse de dissolution élevée du silicium et d’une éventuelle couche de Si02 est généralement utilisé.
Selon un mode de réalisation avantageux, le procédé ne comprend pas d’étape additionnelle d’enlèvement de matière suite au moulage. On entend ici par « matière » l’alliage métallique amorphe. La pièce en AMA obtenue par injection, solidification et séparation de l’insert peut donc être utilisée telle quelle et correspond à la pièce finale.
Selon un autre mode de réalisation, la pièce en AMA peut ensuite subir une (ou des) opérations de post-traitement permettant d’obtenir la géométrie finale. Ces opérations sont généralement de type "enlèvement de matière" . Ces enlèvements de matière peuvent être réalisés par usinage (mécanique, chimique, ultra-son, électroérosion, jet d’eau, laser). L’étape d’enlèvement de matière peut être réalisée avant ou après séparation de l’insert sacrificiel et de la pièce moulée.
A ce jour, la fabrication avec une extrême précision, par exemple une précision inférieure ou égale à 5 pm, de pièces en AMA de très petites dimensions (notamment de longueur comprise entre 0,5 et 10mm dans la plus grande dimension de la pièce) et présentant un ratio hauteur/épaisseur important nécessite des procédés de fabrication complexes impliquant notamment une étape de coulée et une étape de thermoformage. Afin de conserver la structure amorphe de la pièce lors du thermoformage, l’alliage doit donc présenter une stabilité thermique suffisamment importante pour permettre la mise en forme sans cristalliser. Le procédé spécifique décrit précédemment permet, contrairement aux procédés de l’art antérieur, d’obtenir des pièces telles que
-l’alliage métallique amorphe présente :
i) un DTc inférieur à 100°C, préférentiellement inférieur à 80°C et plus préférentiellement encore inférieur à 60°C,
DTc étant la différence entre la température de cristallisation Tx et la température de transition vitreuse Tg ;
et/ou
ii)un critère de stabilité thermique normalisé ATx/(Tl-Tg) inférieur à 0.18, préférentiellement inférieur à 0.15 et plus préférentiellement encore inférieur à 0.12, ou encore inférieur à 0.10 ;
la pièce présente a) une épaisseur inférieure à l OOpm et un ratio hauteur/épaisseur supérieur à 8 ou b) une épaisseur inférieure à 50 pm et un ratio hauteur/épaisseur supérieur à 4 ou c) une épaisseur inférieure à 40 pm et un ratio hauteur/épaisseur supérieur à 2.
Avantageusement, la pièce obtenue selon le procédé spécifique décrit précédemment est telle que les faces de ces flancs formés à l’aide de l’insert sacrificiel présentent une rugosité moyenne Ra inférieure à 1 pm, préférentiellement inférieure à 0,5 pm et plus préférentiellement encore inférieure à 0, 1 pm.
Selon un mode de réalisation préféré, l’alliage métallique constituant la pièce présente une Tl supérieure à 700°C.
D’une manière générale, les pièces définitives pouvant être fabriquées en mettant en œuvre les dispositifs de moulage 1 ou 101 peuvent présenter, après enlèvement optionnel du surplus de matière, des petites dimensions, des formes complexes et des formes diverses. En outre, les pièces définitives peuvent présenter des dimensions précises, c’est-à-dire des faibles intervalles de tolérance de fabrication, par exemple de quelques microns.
On peut fabriquer des roues d’engrenages, des lames enroulées en spirales, des barres éventuellement étagées, droites ou présentant des branches en zigzague formant des angles entre elles ou arrondies, des plaques de toutes formes pourvues de branches de toutes formes, des peignes, et bien d’autres formes.
Les pièces définitives peuvent présenter, dans le sens de l’épaisseur des inserts sacrificiels 7 et 1 17, des épaisseurs allant de moins d’un dixième de millimètre à quelques millimètres.
Les dispositifs de moulage décrits peuvent être appliqués à la fabrication de pièces présentant une capacité de déformation élastique d’au moins un et deux dixième de pour cent ( 1 ,2%), avantageusement d’au moins un et demi pour cent ( 1 ,5 %).
Exemples
Exemple 1
Quatre pièces en alliage composé en partie des éléments de type Zr, Cu et Al présentant un critère de stabilité thermique normalisé inférieur à 0, 17, un DTc inférieur à 85° et un diamètre critique égal à 1 1 mm ont été fabriquées selon un procédé de moulage par injection tel que :
- l’insert sacrificiel est un insert de type Silicium (SOI) dont les cavités ont les géométries suivantes :
- Epaisseur minimum dans une section de la pièce = 35pm
- Hauteur maximale dans la même section de la pièce où l’épaisseur minimum a été déterminée = 250 pm
Les paramètres suivants ont été utilisés :
les paramètres lors de l’étape d’injection ont été les suivants :
- temps de remplissage inférieur à 5ms
- pression de 20 MPa
- section d’une empreinte de moulage configurée de sorte que le diamètre des sphères géométriques inscrites, en contact avec ses parois latérales opposées et ayant au moins un point de contact avec l’insert sacrificiel, est au plus égal à 0,4mm.
- température du moule égale à Tg + 20 °C
Quatre pièces ont été fabriquées avec ces paramètres. Suite à la fabrication, le silicium restant a été dissout dans une solution de KOH à 20% et à une température de 80°C. Les pièces ont ensuite été analysées en DRX afin de contrôler la structure de celles-ci. Les DRX obtenues sont présentées à la figure 10. Exemple 2
Une pièce en alliage composé en partie des éléments de type Zr, Cu, Ni, Ti et Al présentant un critère de stabilité thermique normalisé inférieur à 0, 15 un DTc inférieur à 55°C et un diamètre critique De égal à 14 mm a été fabriquée selon le procédé de l’exemple 1 exception faite des paramètres ci-dessous indiqués :
- l’insert sacrificiel est un insert de type Silicium (SOI) dont les cavités ont les géométries suivantes :
- Epaisseur minimum dans une section de la pièce = 100 pm
- Hauteur maximale dans la même section de la pièce où l’épaisseur minimum a été déterminée = 360 pm
Suite à la fabrication, le silicium restant sur la pièce a été dissout dans une solution de KOH à 20% et à une température de 80°C. L’analyse DRX effectuée sur la pièce issue du procédé a confirmé le caractère amorphe de la pièce obtenue.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de moulage par injection d’un alliage métallique, destiné à la fabrication d’au moins une pièce en un alliage métallique amorphe, comprenant
un moule d’injection (2, 102) délimitant une cavité (3) qui présente une face de réception (4, 104) et une face frontale de moulage (5, 1 1 1 a) en regard de la face de réception,
au moins un insert sacrificiel (7, 107), placé dans ladite cavité (3) et présentant une face arrière (8) dont au moins une zone d’appui est adjacente à au moins une zone d’appui de ladite face de réception de la cavité et une face avant (9) située en regard de ladite face de moulage du moule et pourvue d’une forme en creux,
une empreinte de moulage ( 10) correspondant à l’espace laissé libre dans la cavité (3) comprenant l’insert sacrificiel (7) et
un piston d’injection ( 1 1 , 1 1 1 ) mobile dans une chambre du moule ( 12, 1 12), qui communique avec l’empreinte de moulage ;
dans lequel l’empreinte de moulage est configurée de sorte que le diamètre des sphères géométriques inscrites dans cette empreinte de moulage et ayant au moins un point de contact avec l’insert sacrificiel est au plus égal à une fois et demie ( 1 ,5 fois) le diamètre critique de l’alliage métallique, préférentiellement au plus égal à une fois et deux dixièmes de fois ( 1 ,2 fois) le diamètre critique de l’alliage métallique. ou encore au plus égal à une fois ( 1 fois) le diamètre critique (De) de l’alliage métallique spécifique.
2. Dispositif selon la revendication 1 , dans lequel ladite cavité est configurée de sorte qu’après démoulage de la pièce pourvue de l’insert sacrificiel, au moins ladite zone d’appui de la face arrière de l’insert sacrificiel est découverte.
3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la cavité (3 , 103) présente une face périphérique (6, 106) jointe à la face de réception (4, 104).
4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le bord périphérique de la face de réception (4, 104) est joint au bord d’extrémité, qui lui est adj acent, de la face périphérique (6, 106) de la cavité.
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’insert sacrificiel est en forme de plaque.
6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ladite face frontale de moulage comprend une face (5) de la cavité du moule.
7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel ladite face frontale de moulage comprend une face frontale du piston d’injection.
8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la zone d’appui de la face arrière de l’insert sacrificiel est collée au-dessus de la zone d’appui de la face de réception de la cavité du moule.
9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel au moins une partie (23) de la périphérie de l’insert sacrificiel est insérée entre deux parties du moule.
10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ladite face de réception de la cavité présente un évidement ( 13) dans lequel l’insert sacrificiel est au moins en partie engagé.
1 1. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’insert sacrificiel comprend une pluralité de couches (24) superposées définissant entre elles au moins un espace de prolongement de l’empreinte.
12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’insert sacrificiel est composé d’au moins un matériau ayant une conductivité thermique d’au moins 20 W m 1 K 1 , préférentiellement d’au moins 40 W m 1 K 1.
13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, pour la fabrication de pièces présentant une capacité de déformation élastique d’au moins 1.2%, préférentiellement d’au moins 1.5 %.
14. Procédé de fabrication d’au moins une pièce en un alliage métallique amorphe, mettant en œuvre un moule d’injection selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant les étapes suivantes : mettre en place ledit insert sacrificiel au-dessus de ladite face de réception d’au moins une partie du moule,
assembler les parties du moule,
injecter dans ladite empreinte de moulage un métal ou un alliage métallique à l’état liquide et solidifier le métal ou l’alliage métallique moulé pour obtenir une pièce moulée présentant au moins partiellement une structure amorphe, préférentiellement présentant une structure amorphe,
désassembler les parties de moule et extraire la pièce moulée pourvue de l’insert sacrificiel, et
séparer l’insert sacrificiel et la pièce moulée.
15. Procédé de fabrication d’au moins une pièce en un alliage métallique amorphe, mettant en œuvre un moule d’injection selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant les étapes suivantes :
assembler les parties du moule,
mettre en place ledit insert sacrificiel au-dessus de ladite face de réception d’au moins une partie du moule,
injecter dans ladite empreinte de moulage un métal ou un alliage métallique à l’état liquide et solidifier le métal ou l’alliage métallique moulé pour obtenir une pièce moulée présentant au moins partiellement une structure amorphe, préférentiellement présentant une structure amorphe,
désassembler les parties de moule et extraire la pièce moulée pourvue de l’insert sacrificiel, et
séparer l’insert sacrificiel et la pièce moulée.
16. Procédé selon la revendication 14 ou 15, dans lequel le moule comprenant l’insert sacrificiel sont chauffés préalablement à l’étape d’injection à une température comprise entre 250°C et Tg+100°C, préférentiellement entre Tg- 150°C et Tg+30°C et plus préférentiellement encore à Tg± 20°C, avec Tg la température de transition vitreuse de l’alliage métallique.
17. Procédé selon l'une quelconque des revendications 14 à 16, dans lequel la séparation de l’insert et de la pièce moulée est réalisée par destruction de l’insert sacrificiel, préférentiellement par destruction de l’insert sacrificiel par une attaque chimique sélective dans un bain.
18. Procédé selon l'une quelconque des revendications 14 à 17, comprenant, avant ou après l’étape de séparation, une étape d’enlèvement du surplus de matière, de sorte à obtenir une pièce définitive.
19. Procédé selon l'une quelconque des revendications 14 à 16, comprenant une étape ultérieure de traitement thermique de la pièce moulée et/ou d’une pièce définitive obtenue.
20. Procédé selon l’une quelconque des revendications 14 à 17, l’étape d’injection de l’alliage métallique a une durée inférieure à 100 ms, préférentiellement inférieure à 50 ms et plus préférentiellement encore inférieure à 20 ms.
21. Pièce en alliage métallique amorphe susceptible d’être obtenue selon le procédé selon l’une quelconque des revendications 14 à 20, tel que : -l’alliage métallique amorphe présente :
i) un DTc inférieur à 100°C, préférentiellement inférieur à 80°C et plus préférentiellement encore inférieur à 60°C,
DTc étant la différence entre la température de cristallisation Tx et la température de transition vitreuse Tg ;
et/ou
ii)un critère de stabilité thermique normalisé ATx/(Tl-Tg) inférieur à 0.18, préférentiellement inférieur à 0.15 et plus préférentiellement encore inférieur à 0.12, ou encore inférieur à 0.10 ;
la pièce présente a) une épaisseur inférieure à l OOpm et un ratio hauteur/épaisseur supérieur à 8 ou b) une épaisseur inférieure à 50 pm et un ratio hauteur/épaisseur supérieur à 4 ou c) une épaisseur inférieure à 40 pm et un ratio hauteur/épaisseur supérieur à 2.
22. Pièce selon la revendication 21 telle que les faces des flancs formés à l’aide de l’insert sacrificiel présentent une rugosité moyenne Ra inférieure à 1 pm, préférentiellement inférieure à 0.5 pm et plus préférentiellement encore inférieure à 0. 1 pm.
23. Pièce selon la revendication 21 ou 22 telle que l’alliage métallique présente une Tl supérieure à 700°C.
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