FR3055230A3 - Procede de fabrication additive d'une piece metallique ou ceramique - Google Patents

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Abstract

Procédé de fabrication additive d'une pièce par ajout successif de couches de poudre de matière, associé à des moyens d'apport thermique qui balayent chaque couche successivement pour faire fondre et solidifier une section utile de chaque couche et former la pièce. Le procédé est remarquable en ce qu'il consiste à utiliser une poudre constituée de granulés comprenant un noyau métallique ou céramique enrobé d'un matériau d'enrobage ayant une température de fusion plus faible que celle du métal ou de la céramique, de sorte que l'apport thermique fasse fondre et solidifier uniquement le matériau d'enrobage, totalement ou partiellement, pour former une pièce composite comprenant des particules métalliques ou céramiques liées par une matrice réalisée dans le matériau d'enrobage.

Description

PROCEDE DE FABRICATION ADDITIVE D’UNE PIECE METALLIQUE OU CERAMIQUE DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention se rapporte au secteur technique de la fabrication additive de pièces métalliques ou céramiques quelconques.
ETAT ANTERIEUR DE LA TECHNIQUE
Il est connu de l’état de la technique un procédé de fabrication additive d’une pièce à partir d’une poudre métallique, par exemple atomisée au gaz ou à l’eau.
Le principe consiste à fabriquer la pièce métallique par ajout successif de couches de poudre de métallique, associé à un laser qui balaye chaque couche successivement en fournissant un apport thermique pour faire fondre et solidifier une section utile de chaque couche pour former la pièce.
Cette technologie donne satisfaction en ce qu’elle permet d’obtenir des pièces métalliques à géométrie complexe.
Cependant, ce type de procédé de fabrication nécessite d’utiliser un laser à très forte puissance, de l’ordre de plusieurs centaines de Watts, ainsi qu’un balayage laser sous atmosphère contrôlée, par exemple sous vide, afin d’éviter les oxydations métalliques. De plus, dans la mise en œuvre de ce type de procédé, il convient également de gérer convenablement les aspects hygiène et sécurité.
Il ressort de ce qui précède, que le procédé selon l’état de la technique de fabrication additive par ajout successif de couches de poudre de métallique et balayage laser, est relativement onéreux et complexe à mettre en œuvre.
Expose de l’invention L’un des buts de l’invention est donc de remédier aux inconvénients précités en proposant un procédé de fabrication additive d’une pièce par ajout successif de couches de poudre de matière, qui soit simple et économique dans son utilisation et dans sa mise en œuvre. A cet effet, il a été mis au point un procédé de fabrication additive d’une pièce par ajout successif de couches de poudre de matière, associé à des moyens d’apport thermique qui balayent chaque couche successivement pour faire fondre et solidifier une section utile de chaque couche pour former la pièce.
Selon l’invention, le procédé consiste à utiliser une poudre constituée de granulés comprenant un noyau métallique ou céramique enrobé d’un matériau d’enrobage, de préférence organique, ayant une température de fusion plus faible que celle du métal ou de la céramique, de sorte que l’apport thermique fasse fondre et solidifier uniquement le matériau d’enrobage pour former une pièce composite comprenant des particules métalliques ou céramiques liées par une matrice réalisée dans le matériau d’enrobage.
De cette manière, la puissance des moyens d’apport thermique utilisés pour faire fondre le matériau d’enrobage peut être plus faible que celle utilisée pour faire fondre et solidifier du métal ou de la céramique, ce qui permet de diminuer les coûts de mise en œuvre du procédé.
Par exemple, lorsque le matériau d’enrobage utilisé est organique, et par exemple du type polymère ou thermoplastique, la puissance des moyens d’apport thermique est très faible, de l’ordre de quelques Watts à quelques dizaines de Watts, ce qui rend le procédé très économique. De plus, le procédé mis en œuvre est moins contraignant car il permet de s’affranchir d’un confinement sous atmosphère contrôlée ou sous vide. L’hygiène et la sécurité sont plus facilement gérées. D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront clairement de la description qui en est réalisée ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif.
EXPOSE DETAILLE DE L’INVENTION
Il est décrit un procédé de fabrication additive d’une pièce métallique ou céramique consistant à utiliser une poudre constituée de granulés comprenant un noyau métallique ou céramique enrobé d’un matériau d’enrobage, de préférence organique, ayant une température de fusion plus faible que celle du métal ou de la céramique.
De cette manière, l’apport thermique fait fondre et solidifier uniquement le matériau d’enrobage , totalement ou partiellement, pour former une pièce composite comprenant des particules métalliques ou céramiques liées par une matrice réalisée dans le matériau d’enrobage. Les moyens d’apport thermique nécessitent ainsi une puissance plus faible que celle nécessaire pour faire fondre le métal ou la céramique dans un procédé classique de fabrication additive. Les moyens d’apport thermique utilisés sont bien connus et dépendent de la nature du matériau d’enrobage utilisé. Il pourra s’agir d’un laser, ou bien de moyens d’émission de rayons ultraviolet ou infrarouge. L’homme du métier saura bien entendu adapter les moyens d’apport thermique en fonction du matériau d’enrobage utilisé.
La pièce composite obtenue est ensuite avantageusement soumise à une opération de déliantage pour supprimer la matrice, et à une opération de frittage pour consolider la pièce et obtenir la pièce métallique ou céramique.
Ainsi, le procédé selon l’invention est également avantageux en ce qu’il permet de mettre en forme et de fabriquer des pièces métalliques ou céramiques à la manière d’une pièce plastique. Des formes complexes métalliques ou céramiques peuvent être obtenues, en s’affranchissant des contraintes techniques liées à la fabrication additives de ces pièces tout en conservant les avantages.
La formulation de la poudre dépend de la nature de la pièce à obtenir. Par exemple, la poudre utilisée peut être de tout type, notamment à base de céramique, d’acier, d’acier inoxydable, d’inox, de titane, d’aluminium, de cuivre, de fer, de nickel, de cobalt, d’alumine, de zircone, d’oxyde de calcium, de magnésium, de silice, de nitrure de silicium, de carbure de silicium, de métaux réfractaires, de métaux-durs, d’alliages de ces matières, d’alliages magnétiques...
Le matériau d’enrobage peut être de tout type approprié, par exemple un polymère ou un thermoplastique. Il doit résister à l’apport thermique de manière à fondre et se solidifier ensuite, sans se dégrader, puis doit pouvoir s’éliminer relativement facilement lors de l’opération de déliantage.
Les granulés peuvent présenter toute forme, telle que arrondie ou sphérique. La taille des granulés peut varier entre 20 et 200 pm, et de préférence est inférieure à 100 pm pour réduire la température et le temps de frittage.
Les granulés comprennent entre 0.5 et 5 % en masse de matériau d’enrobage. Le matériau d’enrobage doit en effet être présent dans une quantité relativement faible, de préférence inférieure à 2%, par rapport à la poudre métallique ou céramique, de manière à ne pas altérer la cohésion de la pièce. A l’inverse, une trop grande proportion de matériau d’enrobage dans les granulés peut conduire à des inhomogénéités importantes dans la pièce finie, ainsi qu’à une déformation de la pièce durant l’opération de déliantage. L’opération de déliantage réalisée est bien connue de l’état de la technique, et dépend de la nature du matériau d’enrobage. L’homme du métier saura bien entendu l’adapter en fonction du matériau d’enrobage utilisé.
Il est par exemple réalisé une opération de pré-déliantage à l’issue de laquelle il subsiste alors encore une partie de la matrice dont le but est de conférer à la pièce une résistance mécanique permettant de la manipuler. Plusieurs types de déliantage sont possibles, et connus de l’homme du métier, tel que le déliantage catalytique, le déliantage dans un liquide type eau ou solvant, la matrice est alors solubilisée dans l’eau, et le déliantage thermique, la matrice est vaporisée par augmentation de la température.
Ensuite une opération de déliantage finale est réalisée pour éliminer le reste de la matrice. Cette opération peut être assimilée à un pré-frittage car elle peut être réalisée dans le même four et dans le même cycle que le frittage, pour diminuer les manipulations, les pertes d’énergie et éviter les oxydations qui peuvent se produire après le déliantage final.
Lorsque le déliantage est terminé et que la matrice a été totalement supprimée de la structure de la pièce, on obtient une pièce métallique ou céramique poreuse. La pièce doit être consolidée par une opération bien connue de frittage. Le frittage est réalisé dans un four à haute température, proche de la température de fusion du matériau et inférieure à celle-ci, de préférence sous atmosphère contrôlée ou sous vide. En fonction de la matière de la pièce à fritter, l’homme du métier saura parfaitement maîtriser le retrait éventuel de la pièce, qui doit être homogène dans l’ensemble de la pièce pour éviter les déformations, et de contrôler parfaitement les paramètres du frittage, telle que la montée en température, la durée de frittage, et l’atmosphère. L’opération de frittage permet d’éliminer la porosité et d’augmenter la densité de la pièce pour la consolider et finaliser la fabrication de la pièce.
Il ressort de ce qui précède que l’invention fournit un procédé de fabrication d’une pièce métallique ou céramique, selon une technique de fabrication additive simple et peu onéreuse à mettre en place. L’invention permet notamment de fabriquer une pièce métallique ou céramique comme s’il s’agissait d’une pièce plastique.

Claims (9)

  1. revendications
    1. Procédé de fabrication additive d’une pièce par ajout successif de couches de poudre de matière, associé à des moyens d’apport thermique qui balayent chaque couche successivement pour faire fondre et solidifier une section utile de chaque couche et former la pièce, caractérisé en ce qu’il consiste à utiliser une poudre constituée de granulés comprenant un noyau métallique ou céramique enrobé d’un matériau ayant une température de fusion plus faible que celle du métal ou de la céramique, de sorte que l’apport thermique fasse fondre et solidifier, uniquement et au moins en partie, le matériau d’enrobage pour former une pièce composite comprenant des particules métalliques ou céramiques liées par une matrice réalisée dans le matériau d’enrobage.
  2. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau d’enrobage est une matière organique.
  3. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le matériau d’enrobage est une matière polymère.
  4. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le matériau d’enrobage est une matière thermoplastique.
  5. 5. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la pièce composite est ensuite soumise à une opération de déliantage pour supprimer la matrice, et à une opération de frittage pour consolider la pièce.
  6. 6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la poudre utilisée est à base de céramique, d’acier, d’acier inoxydable, d’inox, de titane, d’aluminium, de cuivre, de fer, de nickel, de cobalt, d’alumine, de zircone, d’oxyde de calcium, de magnésium, de silice, de nitrure de silicium, de carbure de silicium, de métaux réfractaires, de métaux-durs, d’alliages de ces matières, d’alliages magnétiques.
  7. 7. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les granulés comprennent entre 0.5 et 5% en-masse de matériau d’enrobage.
  8. 8. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la taille des granulés est comprise entre 20 et 200 pm.
  9. 9. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d’apport thermique sont du type laser, à émission de rayons ultraviolet ou à émission de rayon infrarouge.
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