FR3012757A1

FR3012757A1 - Procede de moulage d'un objet par injection de poudre.

Info

Publication number: FR3012757A1
Application number: FR1360862A
Authority: FR
Inventors: Pascal Revirand; Michel Bailleux; Gaelle Mauguen
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2013-11-06
Filing date: 2013-11-06
Publication date: 2015-05-08
Anticipated expiration: 2033-11-06
Also published as: FR3012757B1; WO2015068100A1

Abstract

L'invention concerne un procédé de moulage d'un objet (12') par injection de poudre, comprenant les étapes suivantes : (a) réalisation d'une poudre un d'un mélange de poudres en présence d'un liant, par exemple polymérique ; (b) injection de la poudre ou du mélange de poudres dans un moule ; (c) déliantage de l'objet formé dans le moule ; et (d) frittage de cet objet ; caractérisé en ce que, avant de mettre en œuvre l'étape (d), on dispose l'objet (12') contre au moins un élément de rayon de courbure fini (10', 10") c'est-à-dire non plan, de sorte que, pendant l'étape (d), l'objet est courbé selon un rayon de courbure prédéterminé.

Description

PROCEDE DE MOULAGE D'UN OBJET PAR INJECTION DE POUDRE. L'invention concerne le domaine du moulage par injection de poudre. Cette technique est également mieux connue sous le terme de PIM pour « Powder Injection Molding » selon la terminologie anglo-saxonne. Elle est parfois nommée CIM pour « Ceramic Injection Molding » selon la terminologie anglo-saxonne lorsque la poudre est réalisée avec un ou des matériaux céramiques. Elle est parfois nommée MIM pour « Metallic Injection Molding » selon la terminologie anglo-saxonne lorsque la poudre est réalisée avec un ou des matériaux métalliques. Pour mouler un objet par injection de poudre, on réalise typiquement les étapes suivantes : (a) réalisation d'une poudre un d'un mélange de poudres en présence d'un liant, par exemple un liant polymérique ; (b) injection de la poudre ou du mélange de poudres dans un moule ; (c) déliantage de l'objet formé dans le moule ; et (d) frittage de cet objet.

L'injection dans un moule permet de réaliser des objets parfaitement identiques. L'étape de déliantage vise à éliminer le liant et à séparer l'objet du moule. Après déliantage, l'objet, non finalisé, présente une porosité importante. L'étape de frittage est une étape de traitement thermique visant à améliorer la tenue mécanique de l'objet ainsi récupéré. Elle se traduit par un retrait volumique, typiquement de l'ordre de 40% à 50%, par rapport à l'objet obtenu après déliantage et aboutit donc à un objet densifié. La forme de l'objet obtenu dans le moule reste inchangée, au coefficient de retrait près.

C'est d'ailleurs l'un des avantages de cette technique de moulage par injection de poudre que d'aboutir à des objets qui sont identiques ou quasiment identiques, notamment pour une production de série. D'ailleurs, pour s'assurer que l'étape de frittage, qui s'accompagne d'un retrait volumique, ne modifie pas la forme de l'objet donnée par le moule, on utilise parfois des moyens de positionnement de l'objet qui vont maintenir ce dernier en place pendant l'étape de frittage, malgré le retrait volumique conséquent. C'est par exemple ce qui est proposé dans le document WO 2010/104901 pour une application dans le secteur dentaire. 1.0 La conséquence est aussi que, lorsque l'on souhaite obtenir un objet de forme différente, il convient alors de prévoir un moule de forme également différente. Le moulage par injection de poudre présente donc une adaptabilité limitée. 15 Un objectif de l'invention est donc de proposer un procédé du type précité permettant d'élargir les géométries envisageables avec un même moule. Pour atteindre cet objectif, l'invention propose un procédé de moulage d'un objet par injection de poudre, comprenant les étapes suivantes : (a) réalisation d'une poudre un d'un mélange de poudres en présence d'un liant, 20 par exemple polymérique ; (b) injection de la poudre ou du mélange de poudres dans un moule ; (c) déliantage de l'objet formé dans le moule ; et (d) frittage de cet objet ; caractérisé en ce que, avant de mettre en oeuvre l'étape (d), on dispose l'objet 25 contre au moins un élément de rayon de courbure fini c'est-à-dire non plan, de sorte que, pendant l'étape (d), l'objet est courbé selon un rayon de courbure prédéterminé.

L'invention pourra également mettre en oeuvre l'une au moins des caractéristiques suivantes, prises seules ou en combinaison : l'objet est disposé contre ledit au moins un élément non plan par l'intermédiaire d'un moyen d'accommodation situé entre ledit objet et ledit au moins un élément non plan ; le moyen d'accommodation se présente sous la forme d'au moins une plaque dont l'épaisseur est inférieure ou égale à 15% de l'épaisseur de l'objet ; - on place par ailleurs l'objet selon une direction déterminée par rapport à l'axe longitudinal dudit au moins un élément non plan pour contrôler la direction io d'orientation de la courbure ; on dispose l'objet sur un élément non plan unique de sorte que le rayon de courbure de l'objet est sensiblement comparable au rayon de courbure dudit élément, à l'épaisseur du moyen d'accommodation près lorsque ce dernier est prévu ; 15 l'élément non plan est un cylindre, par exemple un cylindre de révolution ; on dispose l'objet à la fois contre un premier élément non plan et un deuxième élément non plan, les deux éléments étant parallèles entre eux ; - les deux éléments non plans sont des cylindres, par exemple des cylindres de révolution ; 20 - le rayon de courbure de l'objet après l'étape de frittage dépend de la distance séparant les deux cylindres, cette distance étant prise entre les axes longitudinaux des deux cylindres ; l'objet est formé d'au moins un composant mince, c'est-à-dire dont l'une des dimensions présente une valeur inférieure ou égale à 15% de sa dimension la 25 plus grande ; la poudre ou le mélange de poudres est constitué de céramiques ; la poudre ou le mélange de poudres est constitué de métaux ; - le liant est un liant polymérique, tel que le polyéthylène ; - ledit au moins un élément non plan est réalisé en un matériau céramique, tel que l'alumine ou la zircone. D'autres objectifs, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, faite en référence aux figures annexées suivantes : la figure 1 représente un exemple, selon une vue en perspective, de moyens adaptés pour mettre en oeuvre un procédé conforme à l'invention, avec l'objet à fritter ; la figure 2 représente un autre exemple, toujours selon une vue en perspective, de moyens adaptés pour mettre en oeuvre le procédé conforme à l'invention, avec l'objet à fritter ; la figure 3 représente un exemple, selon une vue en perspective, de moyens adaptés pour mettre en oeuvre le procédé conforme à l'invention, avec l'objet à fritter ; les figures 4(a) et 4(b) représentent, respectivement selon une vue de dessus et une vue en coupe, un objet susceptible d'être obtenu à l'issue du procédé conforme à l'invention ; - les figures 5(a) et 5(b) représentent, respectivement selon une vue de dessus et une vue en coupe, un autre objet susceptible d'être obtenu à l'issue du procédé conforme à l'invention ; les figures 6(a) et 6(b) représentent, respectivement selon une vue de dessus et une vue en coupe, encore un autre objet susceptible d'être obtenu à l'issue du procédé conforme à l'invention ; la figure 7 est une vue schématique permettant de déterminer le rayon de courbure de l'objet, une fois le frittage réalisé, par exemple conformément aux figures 5(a) et 5(b) ; la figure 8 représente un cycle de frittage envisageable pour réaliser un objet conforme à celui qui est par exemple représenté sur la figure 1 ou sur la figure 5(a), ainsi qu'un cycle de déliantage, susceptible de précéder le cycle de frittage dans le cas où un moulage par injection de poudre complet est réalisé ; les figures 9 et 10 sont des photographies d'objets susceptibles d'être obtenus à l'issue d'un procédé conforme à l'invention. Le procédé conforme à l'invention met en oeuvre les étapes (a) à (d) précitées. En particulier, le liant peut être un liant polymérique, par exemple du polyéthylène. Il se caractérise cependant par le fait que, avant de mettre en oeuvre l'étape (d), on dispose l'objet contre au moins un élément présentant un rayon de courbure fini, tel qu'un cylindre. L'élément en question présentant un rayon de courbure fini, on comprend qu'il est donc non plan ; un plan présentant, par définition, un rayon de courbure infini. L'élément en question peut être plein ou creux, fermé ou non. Le ou chaque élément non plan permet de déformer l'objet pendant le frittage, selon un rayon de courbure maîtrisé. La mise en contact entre l'objet et ledit au moins un élément 15 présentant un rayon de courbure fini s'effectue avantageusement par l'intermédiaire d'au moins un moyen d'accommodation situé entre ledit objet et ledit au moins un élément. Lorsqu'il est prévu, ledit au moins un moyen d'accommodation a quant à lui pour fonction de répartir uniformément les efforts exercés par le 20 cylindre sur l'objet pendant le frittage. On limite ainsi les risques de rupture mécanique de l'objet car on répartit mieux les contraintes. De préférence, pour limiter encore plus voire éviter toute rupture de l'objet pendant le frittage, l'épaisseur du moyen d'accommodation est inférieure ou égale à 15% de l'épaisseur de l'objet lui-même. 25 Par ce biais, on peut obtenir une multitude de formes pour l'objet. Un exemple, pour lequel on cherche à réaliser un objet consistant en une ceinture de composants céramiques, est fourni à l'appui de la figure 1. Dans cet exemple, l'élément non plan sur lequel s'appuie l'objet est un cylindre, en l'occurrence de révolution. Par ailleurs, un moyen d'accommodation est prévu 30 entre l'objet et le cylindre.

L'objet 12 est formé de plusieurs composants 121, 122, 123 enroulés autour du cylindre 10. Un seul cylindre de révolution 10, de rayon R, est prévu. Le moyen d'accommodation 11 est quant à lui constitué de plusieurs plaques 111, 112, 113 ; chaque plaque étant disposée entre le cylindre 10 et l'un des composants 121, 122, 123, respectivement. Un cas envisageable est notamment le cas où tous les composants 121, 122, 123 sont identiques et toutes les plaques 111, 112, 113 sont identiques. Dans le cas présent, en particulier du fait que les différents io composants 121, 122, 123 de l'objet 12 sont en céramique, on prévoit que l'épaisseur de chaque plaque 111, 112, 113 du moyen d'accommodation 11 est inférieure ou égale à 15% de l'épaisseur de chaque composant 121, 122, 123 de l'objet 12. Chaque plaque 111, 112, 113 du moyen d'accommodation 11 et le 15 cylindre sont formés en matériaux céramiques. Que ce soit pour le cylindre 10 ou pour le moyen d'accommodation 11, le matériau céramique peut être de l'alumine ou de la zircone. A l'issue de l'opération de frittage, on obtient ainsi une ceinture de composants céramiques dont le rayon de courbure est sensiblement supérieur à 20 celui du rayon du cylindre 10, compte tenu de l'épaisseur des plaques formant le moyen d'accommodation 11. Sur la figure 1, on constate que la ceinture de composants formant l'objet 12 est disposée selon une direction déterminée. Cette direction se confond en l'occurrence avec l'axe Ox du repère orthogonal (0 ; X ; Z), dans lequel 25 l'axe Oz est orienté selon l'axe longitudinal du cylindre 10, en l'occurrence de révolution. Si l'on définit l'angle a comme l'angle entre l'axe Ox et la direction d'enroulement de l'objet autour de ce cylindre 10, on a ici a = 0°. (Cet angle est défini dans le plan OXZ).

Le positionnement respectif du cylindre 10 par rapport à l'objet 12 permet donc de maîtriser la direction de la courbure réalisée sur l'objet 12. Cette direction est définie par un angle a constant, en l'occurrence nul sur la figure 1. Cet angle a peut être différent et adapté à la valeur souhaitée, pour définir finalement des objets qui ont certes une même courbure, mais une orientation de cette courbure qui est différente. C'est le cas sur l'exemple de la figure 2, où l'angle a est non nul. Toutefois, il convient de noter qu'il existe une orientation privilégiée de la ceinture de composants 12; c'est-à-dire un angle a privilégié pour recouvrir au mieux le cylindre 10 par la ceinture 12 à savoir d'obtenir une ceinture jointive le long de l'axe Oz. Cet angle cc s'exprime alors : oc = Arctan (-HL) où : H est la hauteur des plaques d'accommodation 111, 112, 113, cette hauteur H étant prise selon la direction de l'axe Oz ; L est le périmètre du cylindre, lequel s'exprime par L = 2nR. Dans les exemples décrits ci-dessus à l'appui des figures 1 et 2, il convient de noter que la ceinture de composants céramiques peut être utile pour isoler thermiquement une cheminée, en l'occurrence en forme de cylindre de 20 révolution. La figure 3 représente d'autres moyens qui permettent de mettre en oeuvre un procédé conforme à l'invention. En effet, pour les exemples décrits à l'appui des figures 1 et 2, c'est le rayon R cylindre unique 10 qui définit finalement, à l'épaisseur du moyen 25 d'accommodation près, le rayon de courbure moyen de l'objet 12. Le cylindre unique est bien adapté à la réalisation d'une ceinture de composants, par exemple de composants céramiques, mais pas à d'autres objets.

Au contraire, sur la figure 3, deux cylindres 10', 10", en l'occurrence de révolution, parallèles entre eux, sont prévus. Ils sont séparés d'une distance L, prise entre les axes longitudinaux respectifs de chaque cylindre. L'objet 12' est en l'occurrence une plaque, en l'occurrence réalisée en alumine (A1203), dont les dimensions sont 50mmx50mmx2mm (2mm représentant son épaisseur). Cette plaque 12' est mise en forme par un procédé d'injection et comporte, pendant cette étape, une partie polymérique (liant) et une partie « poudre céramique ». Un moyen d'accommodation 11' est en l'occurrence prévu entre les cylindres 10', 10" et l'objet 12' en forme de plaque. Ce moyen d'accommodation 11' se présente également sous la forme d'une plaque. Dans ce cas, l'utilisation d'une plaque d'accommodation a été choisie afin d'accompagner au mieux les déformations pendant le cycle thermique. Comme on peut le constater, l'épaisseur de la plaque 11' d'accommodation est inférieure à l'épaisseur de la plaque 12' formant l'objet. Là encore, on peut par exemple prévoir que l'épaisseur de la plaque d'accommodation 11' soit inférieure ou égale à 15%, voire 10%, de l'épaisseur de la plaque formant l'objet 12', notamment lorsque cette dernière plaque 12' est réalisée en céramique. Dans le cas d'espèce, la plaque d'accommodation, réalisée en céramique, présente une épaisseur d'environ 500pm ayant des caractéristiques de fluage permettant ainsi à ce matériau de se déformer. Les éléments non plans 10', 10" (cylindres) servant de support à l'objet 12' sont constitués d'un matériau céramique dense permettant d'éviter toute déformation. Le diamètre de chaque cylindre est de 5mm et la distance L entre les cylindres 10', 10" est de 30mm. Un aspect intéressant avec les moyens ainsi mis en oeuvre est que le rayon de courbure de l'objet 12' est réglable à souhait. On a représente sur la figure 7, un schéma représentant le rayon de courbure Rc de l'objet 12' après frittage avec les moyens représentés sur la figure 3. Sur cette même figure, on remarque également la position de l'objet 12' avant frittage.

En se basant sur le schéma de la figure 7, on peut en effet montrer que : a L2 Rc = 2. + Fi. où : L est la distance entre les deux cylindres 10', 10", prise entre les axes longitudinaux respectifs de chaque cylindre ; Rc est le rayon de courbure de l'objet 12' après frittage ; a est la distance maximale parcourue par l'objet entre sa position avant frittage et sa position après frittage. Dans la formule précédente, le point intéressant est que le rayon de courbure Rc de l'objet 12' peut être maîtrisé en fonction de la distance L séparant les deux cylindres 10', 10". Cela offre donc de nombreuses possibilités dans la définition de la courbure de l'objet 12', car la distance L est facilement ajustable, sans que cet ajustement dépende du rayon d'un cylindre lui-même.

Par ailleurs, comme c'était le cas pour l'exemple représenté sur la figure 2, la direction de la courbure peut également être contrôlée avec les moyens mis en oeuvre sur la figure 3. Plusieurs configurations possibles de cette orientation sont représentées sur figures 4(a), 5(a) et 6(a), lesquelles sont toutes des vues de dessus d'un l'objet 12', 12", 12'" obtenu avec les moyens représentés sur la figure 3. Les figures 4(b), 5(b) et 6(b), qui sont des vues en coupe des figures 4(a), 5(a) et 6(a) respectivement, illustrent simplement le fait que l'objet 12' présente bien une courbure après frittage. La figure 4(a) correspond à la vue de dessus de la figure 3, pour 25 laquelle la plaque 12' présente des bords latéraux parallèles aux cylindres 10', 10".

Une photographie d'une plaque 12', en l'occurrence assimilable à une grille en raison de la présence d'orifices et correspondante à une telle situation, est représentée sur la figure 9. Sur la figure 5(a), l'orientation de la courbure de l'objet 12" est perpendiculaire à l'orientation de la courbure pour l'objet 12' représenté sur la figure 4(a). En pratique, cela s'obtient simplement en tournant la plaque 12' représentée sur la figure 3 d'un angle droit par rapport aux cylindres 10', 10". Sur la figure 6(a), l'orientation de la courbure de l'objet 12"' correspond à une situation intermédiaire aux orientations représentées sur les figures 4(a) et 6(a). Une photographie d'une plaque 12"', en l'occurrence assimilable à une grille en raison de la présence d'orifices et correspondante à une telle situation, est représentée sur la figure 10. Le rayon de courbure Rc est de 100mm et l'angle d'orientation a, entre la plaque 12"' et les cylindres 10', 10" avant frittage de ct = 45°. Une grande liberté est donc également conférée dans l'orientation de la courbure de l'objet 12', 12", 12"'. A titre informatif, un cycle de frittage envisageable pour réaliser les objets décrits précédemment, en l'occurrence en céramique, est présenté sur la figure 8 (cycle 2 ; C2). Un cycle de déliantage qui peut précéder le cycle de frittage est présenté sous le nom de cycle 1 (C1). Les exemples présentés ci-dessus mettent en oeuvre un ou plusieurs cylindres de révolution en tant qu'élément à rayon de courbure fini (non plan). L'invention n'est pas limitée à de tels cylindres et peut, comme on l'aura compris, s'appliquer avec tout élément de rayon de courbure fini, plein ou creux, de révolution ou non. Par ailleurs, le rayon de courbure de cet élément, bien qu'avantageusement constant, peut être non constant pour définir des objets aux formes plus particulières. Cela peut être le cas lorsque l'élément en question présente une section en forme d'ellipse.30

Claims

REVENDICATIONS1. Procédé de moulage d'un objet (12, 12', 12", 12"') par injection de poudre, comprenant les étapes suivantes : s (a) réalisation d'une poudre un d'un mélange de poudres en présence d'un liant, par exemple polymérique ; (b) injection de la poudre ou du mélange de poudres dans un moule ; (c) déliantage de l'objet formé dans le moule ; et (d) frittage de cet objet ; io caractérisé en ce que, avant de mettre en oeuvre l'étape (d), on dispose l'objet (12, 12', 12", 12"') contre au moins un élément de rayon de courbure fini (10, 10', 10") c'est-à-dire non plan, de sorte que, pendant l'étape (d), l'objet est courbé selon un rayon de courbure prédéterminé.
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'objet (12, 12', 15 12", 12"') est disposé contre ledit au moins un élément non plan par l'intermédiaire d'un moyen d'accommodation (11, 11') situé entre ledit objet (12, 12', 12", 12"') et ledit au moins un élément non plan (10, 10', 10").
3. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel le moyen d'accommodation (11, 11') se présente sous la forme d'au moins une 20 plaque dont l'épaisseur est inférieure ou égale à 15% de l'épaisseur de l'objet (12, 12', 12", 12"').
4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel on place par ailleurs l'objet (12, 12', 12", 12") selon une direction déterminée par rapport à l'axe longitudinal dudit au moins un élément non 25 plan (10, 10', 10") pour contrôler la direction d'orientation de la courbure.
5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel on dispose l'objet (12, 12', 12", 12"') sur un élément non plan unique (10) de sorte que le rayon de courbure de l'objet est sensiblement comparable au rayon de courbure dudit élément, à l'épaisseur du moyen d'accommodation près 30 lorsque ce dernier est prévu.
6. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel l'élément non plan (10) est un cylindre, par exemple un cylindre de révolution.
7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel on dispose l'objet à la fois contre un premier élément non plan (10') et un deuxième élément non plan (10"), les deux éléments étant parallèles entre eux.
8. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel les deux éléments non plans (10', 10") sont des cylindres, par exemple des cylindres de révolution.
9. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel le io rayon de courbure (Rc) de l'objet (12', 12", 12"') après l'étape de frittage dépend de la distance (L) séparant les deux cylindres (10', 10"), cette distance (L) étant prise entre les axes longitudinaux des deux cylindres.
10. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'objet (12, 12', 12", 12'") est formé d'au moins un composant mince, c'est- 15 à-dire dont l'une des dimensions présente une valeur inférieure ou égale à 15% de sa dimension la plus grande.
11. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la poudre ou le mélange de poudres est constitué de céramiques. 20
12. Procédé selon l'une des revendications 1 à 10, dans lequel la poudre ou le mélange de poudres est constitué de métaux.
13. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le liant est un liant polymérique, tel que le polyéthylène.
14. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans 25 lequel ledit au moins un élément non plan (10, 10', 10") est réalisé en un matériau céramique, tel que l'alumine ou la zircone.