FR3040646B1 - Procede de fabrication d'une piece par frittage de poudres - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un procédé de fabrication d'une pièce comprenant les étapes consistant à : a) réaliser un mélange d'une poudre de métal ou de céramique destiné à former la pièce et d'un liant dont la température de fusion est inférieure à la température de fusion de la poudre, b) mettre en forme ledit mélange de manière à obtenir une préforme (32) de la pièce, c) réaliser un usinage de la préforme (32), au moyen d'un organe chauffant, par fusion du liant uniquement, d) réaliser une opération de déliantage suivi d'une opération de frittage de la préforme (32).

Description

PROCEDE DE FABRICATION D’UNE PIECE PAR FRITTAGE DE POUDRES
La présente invention concerne un procédé de fabrication d’une pièce par frittage de poudres.
Il est connu de réaliser des pièces mécaniques en métal ou céramique à partir d’une poudre de particules métalliques ou céramiques. Cette poudre est mélangée à un liant et le mélange ainsi formée est ensuite homogénéisé.
Une étape de mise en forme du mélange est réalisée. Cette mise en forme peut consister en une compression, une extrusion ou une injection dans un moule du mélange, ce qui permet d’obtenir une préforme de la pièce. Dans une étape ultérieure, on réalise une opération de déliantage solvant et/ou chimique et/ou thermique consistant à enlever le liant ou les liants de la préforme. Enfin, la dernière étape consiste en une opération de frittage consistant à chauffer la préforme sans la mener jusqu’à la fusion, dans la plupart des cas. Sous l'effet de la température, les grains de matériaux métalliques ou céramiques se soudent entre eux par soudage-diffusion, ce qui garantit la cohésion de la pièce.
Toutefois, les pièces ainsi obtenues doivent subir des opérations d’usinage pour supprimer les éventuelles bavures ou encore pour réaliser certains perçages ou obtenir des géométries qui peuvent être compliquées à réaliser lors de l’opération de mise en forme.
Il serait ainsi possible de réaliser l’usinage entre l’opération de mise en forme et l’opération de déliantage, ce qui s’avère intéressant puisque la dureté de la pièce est moins élevée qu’à l’état final après frittage, ce qui autoriserait l’utilisation d’outils de fraisage traditionnels et limiterait leur usure. Toutefois, la faible rigidité de la préforme limite les possibilités d’usinage puisque l’effort applicable à la préforme doit rester limité pour éviter de déformer ou de casser la préforme. L’usinage de la pièce après frittage est toujours possible mais s’avère difficile à effectuer du fait de l’importante dureté de celle-ci et nécessite des outils relativement coûteux. L’invention a notamment pour but d’apporter une solution simple, efficace et économique aux problèmes de l’art antérieur décrit précédemment. A cet effet, elle propose un procédé de fabrication d’une pièce comprenant les étapes consistant à : a) réaliser un mélange d’une poudre de métal ou de céramique destiné à former la pièce et d’un liant dont la température de fusion est inférieure à la température de fusion de la poudre, b) mettre en forme ledit mélange de manière à obtenir une préforme de la pièce, c) réaliser un usinage de la préforme, au moyen d’un organe chauffant, par fusion du liant uniquement, d) réaliser une opération de déliantage suivi d’une opération de frittage de la préforme. L’invention propose ainsi de réaliser l’usinage entre l’étape de mise en forme et l’étape de déliantage au moyen d’un organe chauffant. Le liant doit être choisi de façon particulière de manière à ce que sa température de fusion soit inférieure à la température de fusion de la poudre. Il est ainsi possible avec le procédé selon l’invention de réaliser des usinages complexes de la préforme par fusion locale du liant au niveau de la zone d’application de l’organe sur la préforme sans impacter thermiquement les particules issues de la poudre.
Le procédé selon l’invention peut être utilisé pour réaliser du prototypage rapide de pièces mécaniques.
Le procédé selon l’invention permet de réaliser des enlèvements de matière qui n’étaient pas possible avec la technique antérieure et permet également d’obtenir une cadence d’usinage plus importante et une meilleure répétabilité.
Le terme « liant » utilisé dans le présent document doit s’entendre comme un produit comprenant un seul composé ou bien une pluralité de composés.
Selon une autre caractéristique de l’invention, l’organe chauffant comprend au moins une électrode résistive reliée à des moyens d’alimentation électriques de manière à ce que l’électrode dissipe thermiquement l’énergie électrique en fonctionnement. Ce type de montage est simple à réaliser. L’électrode peut être conformée de manière à correspondre au moins en partie à la forme d’une partie à usiner sur la préforme.
Notons que l’étape b) de mise en forme peut être réalisée par compression, extrusion, injection ou coulée dudit mélange. L’électrode peut avoir en section une forme à contour fermé de manière à former un emporte-pièce apte à traverser. Elle peut également avoir la forme d’un simple fil. Dans ce cas, l’usinage sera effectuée par un mouvement particulier du fil qui déterminera la forme usiner sur la préforme. L’organe chauffant comprend une pluralité d’électrodes agencées les unes par rapport aux autres de manière à former un motif d’usinage souhaité. L’électrode peut être en acier ou en acier inoxydable.
Le procédé peut également comprendre une étape intermédiaire d’usinage de la surface de la préforme entre les étapes c) et d). L’invention sera mieux comprise et d’autres détails, avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d’exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est un organigramme des étapes du procédé selon l’invention ; - les figures 2A, 2B et 2C sont des vues schématiques des étapes d’usinage avec le procédé selon l’invention selon une première réalisation de celui-ci ; - les figures 3A, 3B et 3C sont des vues schématiques des étapes d’usinage avec le procédé selon l’invention selon une deuxième réalisation de celui-ci ; - la figure 4 est une vue schématique en perspective d’encore une autre forme possible d’usinage avec le procédé selon l’invention ; - la figure 5 est une vue schématique représentant une autre forme d’usinage possible avec le procédé selon l’invention.
On se réfère tout d’abord à la figure 1 qui représente les différentes étapes du procédé selon l’invention. Il consiste dans une première étape 10 et une seconde étape 12 qui peuvent être effectuées simultanément, à fournir une poudre composée d’un matériau dans lequel on souhaite réaliser la pièce finale et un liant composé d’un ou de plusieurs composés liants. La poudre peut être une poudre métallique (par exemple un métal pur : Nickel, Titane ; ou un alliage métallique : Inco 718, TiAI) ou céramique (par exemple Alumine, Zircone, Yttrine) ou un mélange de plusieurs poudres et le liant peut être un polymère, comme le polyéthylène ou le polypropylène, ou une cire naturelle ou synthétique. Le polyacétal peut également être utilisé pour permettre un déliantage catalytique plus rapide. Le liant peut être une poudre mais se présente plus généralement sous une forme de résine liquide ou de granulés. Dans une réalisation possible du liant celui-ci comprend en masse 50% de polyéthylène glycol +45% de polypropylène +5% d’acide stéarique.
Dans une troisième étape 14, la poudre et le liant sont mélangés de manière à homogénéiser ledit mélange. Dans une quatrième étape 16, on effectue une mise en forme consistant en une compression, une extrusion ou une injection du mélange dans un moule par exemple, ce qui permet d’obtenir une préforme de la pièce. Il serait encore possible de réaliser l’étape de mise en forme par coulée du mélange.
Après obtention de la préforme, on réalise dans une cinquième étape 18, une opération d’usinage sur la préforme à l’aide d’un organe chauffant dont la forme est adaptée pour réaliser l’usinage souhaité. Cet usinage est rendu possible par le fait que la température de fusion du liant est inférieure à la température de fusion de la poudre, ce qui autorise une fusion locale du liant au niveau de la zone de chauffage et permet un usinage de la préforme. Pour améliorer l’état de surface de la préforme, il est possible de réaliser une opération d’usinage mécanique telle qu’un fraisage ou un tournage.
Dans une sixième étape 20, on réalise une opération de déliantage d’une manière bien connue de l’homme du métier. Dans une septième étape 22, on réalise une opération de frittage de la préforme usinée. L’organe chauffant est par exemple une électrode résistive 24, 26, 28 reliée à des moyens d’alimentation électriques 30 de manière à ce que l’électrode dissipe thermiquement l’énergie électrique en fonctionnement (effet Joule). L’électrode peut être par exemple en acier, par exemple en acier de type XC65, XC70, XC80, XC85 ou en acier inoxydable, qui permet de garantir une bonne rigidité à l’électrode.
Comme représenté aux figures 2A, 2B et 2C, l’électrode 24 peut être formée par un fil porté par un cadre support et reliée à des moyens d’alimentation électriques 30. L’usinage par découpe d’une partie de la préforme 32 permet de réaliser de manière simple une forme en queue d’aronde ou toute autre géométrie débouchante. Le dimensionnement de l’électrode doit néanmoins prendre en compte le retrait dimensionnel que subit la pièce lors de l’étape de frittage qui est de l’ordre de 15 %.
Aux figures 3A, 3B et 3C, l’électrode 26 a une forme tubulaire ayant en section un contour fermé définissant un hexagone et permet par application d’une extrémité de l’électrode 26 sur la préforme, de réaliser une ouverture de forme correspondante à l’électrode 26, c’est-à-dire hexagonale, dans la préforme.
Dans une autre réalisation représentée en figure 4, l’organe chauffant 36 peut comprendre quatre électrodes 26 du type de la figure 3. Il pourrait également comprendre quatre électrodes de type différent. Les électrodes sont, dans cette réalisation, agencées en carré et reliées par des conducteurs électriques 38. D’autres formes peuvent également être utilisées selon l’usinage à effectuer. L’organe chauffant 36 ainsi formé permet de réaliser simultanément une pluralité de perçages de formes chacune correspondant à une des électrodes 26 de l’organe chauffant 36. Avec un tel organe chauffant 36, la cadence de perçage est fortement augmentée. De plus, les positions relatives des perçages les uns par rapport aux autres sont obtenues par le positionnement relatif des électrodes les unes par rapport aux autres au sein de l’organe chauffant 36, ce qui permet d’assurer une meilleure précision et une meilleure répétabilité. Si l’organe chauffant 36 représenté en figure 4 comprend quatre électrodes 26, l’organe chauffant 36 pourrait comprendre une multitude d’électrodes élémentaires 26.
Pour réaliser une forme évolutive comme illustré dans la figure 5, il est possible d’utiliser une électrode de type fil, les 2 extrémités du fil étant déplacées afin de suivre le profil évolutif souhaité. Il est ainsi possible de réaliser des ouvertures de forme complexes.
En pratique, la température de découpe à utiliser est comprise entre la température de fusion du composé liant ayant la température de fusion la plus faible et la température de fusion du liant ayant la température de fusion la plus élevée.
Le fil ou les parois du tube peut(vent) avoir une épaisseur comprise entre 0,1 et 2 mm par exemple.
Un jeu sera prévu entre la côte après usinage et la position de l’usinage de manière à anticiper la légère déformation qui a lieu au voisinage de la découpe du fait du chauffage qui induit une déformation dans l’environnement adjacent au lieu d’application de l’organe chauffant. L’opération de découpe peut être réalisée dans une enceinte sous air ou sous atmosphère inerte, par exemple avec de l’Argon, si le matériau est par exemple sensible à l’oxydation.
Cette opération de découpe peut être réalisée par des moyens robotisés portant l’organe chauffant. De tels moyens sont par exemple une machine à commande numérique à deux axes ou à cinq axes pour les découpes plus complexes. L’électrode dans chacune des réalisations décrites précédemment peut être en acier ou en acier inoxydable.

Claims (6)

  1. REVENDICATIONS
    1. Procédé de fabrication d’une pièce comprenant les étapes consistant à : a) réaliser un mélange d’une poudre de métal ou de céramique destiné à former la pièce et d’un liant dont la température de fusion est inférieure à la température de fusion de la poudre, b) mettre en forme ledit mélange de manière à obtenir une préforme (32) de la pièce, c) réaliser un usinage de la préforme (32), au moyen d’un organe chauffant, par fusion du liant uniquement, l’organe chauffant comprenant au moins une électrode (24, 26, 28) résistive reliée à des moyens d’alimentation électriques (30) de manière à ce que l’électrode (24, 26, 28) dissipe thermiquement l’énergie électrique en fonctionnement, l’électrode (24, 26, 28) étant conformée de manière à correspondre au moins en partie à la forme d’une partie à usiner sur la préforme (32), d) réaliser une opération de déliantage suivi d’une opération de frittage de la préforme (32).
  2. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l’électrode a en section une forme à contour fermé.
  3. 3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel l'organe chauffant comprend une pluralité d’électrodes agencées tes unes par rapport aux autres de manière à former un motif d’usinage souhaité.
  4. 4. Procédé selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel l’électrode est en acier ou en acier inoxydable.
  5. 5. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l’étape b) de mise en forme est réalisée par compression, extrusion ou injection dudit mélange.
  6. 6. Procédé selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel il comprend une étape intermédiaire d’usinage de la surface de la préforme entre les étapes c) et d).
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