FR3114258A1 - Improved process for manufacturing a part by additive manufacturing by deposition of molten wire - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne un procédé de fabrication d’une pièce métallique ou céramique, comprenant : - la réalisation par fabrication additive par dépôt de fil fondu d’une pièce verte (1) et d’au moins une structure de support (10) ayant une surface de contact avec la pièce verte, la pièce verte étant réalisée à partir d’un feedstock comprenant un liant et une poudre métallique ou céramique dont le taux de charge est compris entre 50 et 65% en volume ; - l’élimination de chaque structure de support (10) ; - l’élimination du liant de la pièce verte (1) pour obtenir une pièce brune ; - la densification de la pièce brune par frittage. Chaque structure de support est constituée d’un polymère thermoplastique qui est également présent comme composant majoritaire dans le liant de la pièce verte, l’élimination de chaque structure de support et l’élimination du liant de la pièce verte étant concomitantes. Figure pour l’abrégé : figure 4The invention relates to a method for manufacturing a metal or ceramic part, comprising: - the production by additive manufacturing by deposition of molten wire of a green part (1) and at least one support structure (10) having a contact surface with the green part, the green part being made from a feedstock comprising a binder and a metal or ceramic powder whose filler content is between 50 and 65% by volume; - the elimination of each support structure (10); - the removal of the binder from the green part (1) to obtain a brown part; - the densification of the brown part by sintering. Each support structure is made of a thermoplastic polymer which is also present as a major component in the binder of the green part, the elimination of each support structure and the elimination of the binder of the green part being concomitant. Figure for abstract: Figure 4
Description
L’invention a trait à la fabrication additive par dépôt de fil fondu pour la fabrication de pièces métalliques ou céramiques nécessitant une ou plusieurs structures de support.The invention relates to additive manufacturing by deposition of molten wire for the manufacture of metal or ceramic parts requiring one or more support structures.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEUREPRIOR ART
La fabrication additive par dépôt de fil fondu, ou fabrication additive FFF (de l’anglais « Fused Fabrication Filament »), est une fabrication par dépôt de matière fondue qui consiste à construire, couche par couche, une pièce plastique ou une pièce verte, par dépôt d’un filament fondu qui se solidifie en refroidissant.Additive manufacturing by deposition of molten wire, or additive manufacturing FFF (from the English "Fused Fabrication Filament"), is a manufacturing by deposition of molten material which consists in building, layer by layer, a plastic part or a green part, by deposition of a molten filament which solidifies on cooling.
Dans le cas de la fabrication additive d’une pièce verte, le filament utilisé résulte du conditionnement d’un mélange, appelé feedstock, sous la forme d’un filament de diamètre compris entre 1,5 et 2 mm et plus généralement entre 1,5 et 1,8 mm.In the case of the additive manufacturing of a green part, the filament used results from the conditioning of a mixture, called feedstock, in the form of a filament with a diameter of between 1.5 and 2 mm and more generally between 1. 5 and 1.8mm.
Le feedstock est un mélange d’une poudre (métallique ou céramique) et d’un liant ; il est généralement utilisé dans la fabrication de pièces par injection à l’aide du procédé MIM (de l’anglais « Metal Injection Moulding »).Feedstock is a mixture of a powder (metallic or ceramic) and a binder; it is generally used in the manufacture of parts by injection using the MIM (Metal Injection Moulding) process.
Le liant du feedstock est un vecteur qui sert à la mise en œuvre de la poudre métallique ou céramique, puisqu’il permet la mise en place de la poudre pour donner forme à la pièce verte. Une fois la pièce verte obtenue, le liant doit être éliminé (déliantage).The feedstock binder is a vector used for the implementation of the metal or ceramic powder, since it allows the implementation of the powder to give shape to the green part. Once the green part has been obtained, the binder must be removed (debinding).
Le liant est un système multicomposants. Il est principalement composé de deux polymères thermoplastiques différents, à savoir un polymère principal (c’est-à-dire ayant un pourcentage massique supérieur aux pourcentages massiques de tous les autres composants du liant) et un polymère secondaire en moindre quantité, auxquels on ajoute des additifs en faible quantité (dispersants, stabilisateurs, surfactants, etc.). Ces additifs permettent de stabiliser la répartition entre la poudre et les polymères ; ils permettent notamment d’abaisser la viscosité du feedstock à l’état fondu pour faciliter son injection au cours du procédé MIM.The binder is a multicomponent system. It is mainly composed of two different thermoplastic polymers, namely a main polymer (that is to say having a mass percentage greater than the mass percentages of all the other components of the binder) and a secondary polymer in a lesser quantity, to which are added small quantities of additives (dispersants, stabilizers, surfactants, etc.). These additives make it possible to stabilize the distribution between the powder and the polymers; in particular, they make it possible to lower the viscosity of the feedstock in the molten state to facilitate its injection during the MIM process.
Le liant comprenant deux polymères différents, le déliantage de la pièce verte se déroule en deux étapes. Au cours de la première étape, on retire le polymère principal chimiquement ou thermiquement. Cette première étape a pour but d’ouvrir des pores entre les particules de poudre depuis les surfaces extérieures vers le cœur de la pièce verte. À l’issue de la première étape, le polymère secondaire subsiste. Ce polymère secondaire, également appelé « backbone », permet à la pièce verte de conserver sa forme et assure à la pièce une résistance qui lui permet d’être manipulée. Ce polymère secondaire est retiré au cours d’une deuxième étape, généralement en appliquant un traitement thermique à une température plus importante que celle régnant au cours de la première étape. Cette deuxième étape est généralement effectuée dans un four de frittage et est généralement réalisée au début de l’étape de frittage de la pièce.The binder comprising two different polymers, the debinding of the green part takes place in two stages. During the first stage, the main polymer is chemically or thermally removed. This first step aims to open pores between the powder particles from the outer surfaces towards the core of the green part. At the end of the first stage, the secondary polymer remains. This secondary polymer, also called “backbone”, allows the green part to keep its shape and gives the part a resistance that allows it to be manipulated. This secondary polymer is removed during a second stage, generally by applying a heat treatment at a higher temperature than that prevailing during the first stage. This second step is usually performed in a sintering furnace and is usually performed at the start of the part sintering step.
La fabrication additive FFF est illustrée dans la figure 1 ; l’impression 3D d’une pièce verte 1 par la technique FFF nécessite un plateau d’impression 2, une bobine 3 de filament 4 de feedstock et au moins une tête d’impression 5, également appelée « extrudeur » ou « buse d’extrusion ».FFF additive manufacturing is illustrated in Figure 1; the 3D printing of a green part 1 by the FFF technique requires a printing plate 2, a spool 3 of feedstock filament 4 and at least one print head 5, also called "extruder" or "nozzle of extrusion”.
Le filament 4 est mis en forme par la technique FFF et, à partir du feedstock fondu et solidifié, on obtient une pièce dite « pièce verte » 1. Dans la figure 1, un agrandissement de la zone autour de la buse d’extrusion (délimitée par un trait discontinu) montre le filament de feedstock qui est dans un état fondu 6 à la sortie de la buse d’extrusion, puis le filament déposé est dans un état en cours de solidification 7 et enfin, dans un état solidifié 8. On fait ensuite subir une opération de déliantage à la pièce verte, afin d’éliminer le liant contenu dans le feedstock solidifié. On obtient alors une pièce dite « pièce brune » 11. Enfin, on fait subir une opération de frittage à la pièce brune, afin d’obtenir une pièce 100% métallique ou 100% céramique, en fonction du type de poudre utilisé dans le feedstock.The filament 4 is shaped using the FFF technique and, from the molten and solidified feedstock, a so-called "green part" 1 is obtained. In Figure 1, an enlargement of the area around the extrusion nozzle ( delimited by a broken line) shows the feedstock filament which is in a molten state 6 at the exit of the extrusion nozzle, then the deposited filament is in a state in the process of solidification 7 and finally, in a solidified state 8. The green part is then subjected to a debinding operation, in order to eliminate the binder contained in the solidified feedstock. A so-called “brown part” 11 is then obtained. Finally, the brown part is subjected to a sintering operation, in order to obtain a 100% metallic or 100% ceramic part, depending on the type of powder used in the feedstock. .
Dans la fabrication additive FFF, il est nécessaire d’avoir une couche sur laquelle déposer la matière pour déposer la couche suivante. Ainsi, pour réaliser des pièces vertes présentant, par exemple, des zones en surplomb 9 d’un angle supérieur à environ 45° par rapport à un plan horizontal, ou bien encore des éléments tels que des cavités ou canaux internes, ou des trous, traversants ou non, d’une inclinaison supérieure à environ 45°, il est nécessaire d’avoir recours à des structures 10 dites « de support », afin d’éviter, par exemple, de déposer du filament « dans le vide ». La structure de support 10 a au moins une surface en contact avec la pièce verte.In FFF additive manufacturing, it is necessary to have a layer on which to deposit the material to deposit the next layer. Thus, to produce green parts having, for example, overhanging zones 9 at an angle greater than about 45° relative to a horizontal plane, or even elements such as internal cavities or channels, or holes, traversing or not, with an inclination greater than about 45°, it is necessary to have recourse to so-called “support” structures 10, in order to avoid, for example, depositing filament “in a vacuum”. The support structure 10 has at least one surface in contact with the green piece.
Dans la figure 2 est illustré un exemple d’une pièce verte 1 ayant nécessité l’utilisation d’une structure de support 10 lors de sa construction, pour soutenir la zone 9 de la pièce verte 1 en surplomb.In Figure 2 is shown an example of a green room 1 that required the use of a support structure 10 during its construction, to support the area 9 of the overhanging green room 1.
Les structures de support peuvent être de deux types :
- elles peuvent être réalisées avec le même matériau que celui avec lequel la pièce verte est construite, et dans ce cas leur élimination se fait de façon mécanique (arrachement à la main et/ou à l’aide d’outils) ; ou
- elles peuvent être réalisées à l’aide d’un autre matériau, ce qui nécessite que l’appareil utilisé pour l’impression 3D par la technique FFF soit équipé d’une seconde buse d’extrusion qui extrude cet autre matériau, généralement appelé matériau support. Dans ce cas, le second matériau est généralement choisi de façon à ce qu’il soit soluble dans un solvant n’interagissant pas avec la pièce verte imprimée.Support structures can be of two types:
- they can be made with the same material as that with which the green part is made, and in this case their elimination is done mechanically (tearing off by hand and/or using tools); Or
- they can be made using another material, which requires that the device used for 3D printing by the FFF technique is equipped with a second extrusion nozzle that extrudes this other material, generally called carrier material. In this case, the second material is generally chosen so that it is soluble in a solvent which does not interact with the printed green part.
Lorsque les structures de support sont imprimées avec le même matériau que celui utilisé pour imprimer la pièce verte, elles sont généralement imprimées avec une densité plus faible que celle de la pièce verte afin de limiter leur impact sur le temps d’impression. Un faible espace est également laissé volontairement entre les structures de support et la pièce verte pour éviter que celles-ci fusionnent avec la pièce et ainsi faciliter leur retrait. Cette méthode de réalisation des structures de support a l’avantage d’être rapide, car aucun changement d’outil ou de paramétrie n’est nécessaire à l’obtention des structures de support.When support structures are printed with the same material used to print the green part, they are usually printed with a lower density than the green part to limit their impact on print time. A small space is also deliberately left between the support structures and the green part to prevent them from merging with the part and thus facilitate their removal. This method of making the support structures has the advantage of being fast, because no tool or parameter change is necessary to obtain the support structures.
Cependant, les structures de support fusionnent très souvent avec la pièce verte au niveau de leur interface et laissent ainsi des marques sur la pièce verte.However, support structures very often merge with the green part at their interface and thus leave marks on the green part.
En outre, le retrait des structures de support nécessite une opération post impression et les structures de support ne peuvent être retirées d’une cavité fermée.Additionally, removal of support structures requires a post-print operation and support structures cannot be removed from a closed cavity.
Une autre technique (document [1]) consiste à imprimer les structures de support avec du feedstock identique à celui utilisé pour la pièce verte et à interposer une fine couche de céramique entre la pièce verte et chaque structure de support. L’ensemble {pièce verte + structure(s) de support + interface(s) céramique(s)} est délianté, puis fritté. La couche céramique sert à empêcher le soudage et la diffusion entre la pièce et chaque structure de support lors de l’étape de frittage. Notons qu’ici la structure de support est utilisée à la fois comme support de construction et comme support de frittage ; elle n’est donc pas retirée avant la fin de l’étape de frittage. L’inconvénient de cette technique est qu’elle peut s’avérer relativement coûteuse, pour certains types de feedstock.Another technique (document [1]) consists of printing the support structures with feedstock identical to that used for the green part and interposing a thin layer of ceramic between the green part and each support structure. The set {green part + support structure(s) + ceramic interface(s)} is debinded, then sintered. The ceramic layer serves to prevent welding and diffusion between the part and each supporting structure during the sintering step. Note that here the support structure is used both as a construction support and as a sintering support; it is therefore not removed before the end of the sintering step. The disadvantage of this technique is that it can be relatively expensive for certain types of feedstock.
Lorsque les structures de support sont imprimées avec un matériau différent de celui utilisé pour imprimer la pièce verte, il est possible d’imprimer les structures de support dans un matériau dont les conditions de dégradation sont différentes de celles de la pièce. Mais là encore, le retrait des structures de support nécessite un temps supplémentaire, plus ou moins long selon l’épaisseur des structures de support.When the support structures are printed with a different material than the one used to print the green part, it is possible to print the support structures in a material whose degradation conditions are different from those of the part. But again, the removal of the support structures requires additional time, more or less depending on the thickness of the support structures.
Dans tous les cas, le recours à des structures de support dans les solutions proposées dans l’art antérieur a un impact dans la gamme opératoire en ajoutant un temps nécessaire à leur élimination, qu’elle soit effectuée de façon mécanique, chimique (par dissolution) ou thermique.In all cases, the use of support structures in the solutions proposed in the prior art has an impact on the operating range by adding a time necessary for their elimination, whether carried out mechanically, chemically (by dissolution ) or thermal.
Il existe un besoin d’optimisation des procédés de l’art antérieur afin de pouvoir, lors de l’impression d’une pièce verte par fabrication additive FFF, fabriquer une ou plusieurs structures de support :
- qui soi(en)t facilement amovible(s);
- de manière moins coûteuse qu’en réalisant des structures de support avec le feedstock lui-même ;
- qui n’occasionne(nt) pas d’augmentation de temps dans la gamme post-impression ;
- qui soi(en)t compatible(s) avec la formulation du feedstock utilisé pour l’impression de la pièce verte.There is a need to optimize the processes of the prior art in order to be able, when printing a green part by FFF additive manufacturing, to manufacture one or more support structures:
- which is (are) easily removable;
- less expensively than by making support structures with the feedstock itself;
- which does not cause(s) no increase in time in the post-print range;
- which is (are) compatible with the formulation of the feedstock used for printing the green part.
Pour répondre à ce besoin, l’invention a pour objet un procédé de fabrication d’une pièce métallique ou céramique, comprenant :
- la réalisation par fabrication additive par dépôt de fil fondu d’une pièce verte et d’au moins une structure de support ayant une surface de contact avec la pièce verte, la pièce verte étant réalisée à partir d’un feedstock comprenant un liant et une poudre métallique ou céramique, le taux de charge de la poudre étant compris entre 50 et 65% en volume ;
- l’élimination de chaque structure de support ;
- l’élimination du liant de la pièce verte pour obtenir une pièce brune ;
- la densification de la pièce brune par frittage ;
caractérisé en ce que chaque structure de support est constituée d’un polymère thermoplastique qui est également présent comme composant majoritaire dans le liant de la pièce verte, l’élimination de chaque structure de support et l’élimination du liant de la pièce verte étant concomitantes.To meet this need, the subject of the invention is a method for manufacturing a metal or ceramic part, comprising:
- the production by additive manufacturing by deposition of molten wire of a green part and of at least one support structure having a contact surface with the green part, the green part being produced from a feedstock comprising a binder and a metal or ceramic powder, the filler content of the powder being between 50 and 65% by volume;
- the elimination of each support structure;
- removing the binder from the green part to obtain a brown part;
- densification of the brown part by sintering;
characterized in that each support structure consists of a thermoplastic polymer which is also present as a major component in the binder of the green part, the elimination of each support structure and the elimination of the binder from the green part being concomitant .
Dans le cadre de la présente invention, on considère qu’un composant est majoritaire quand son pourcentage massique est supérieur aux pourcentages massiques de tous les autres composants du liant.In the context of the present invention, it is considered that a component is predominant when its mass percentage is greater than the mass percentages of all the other components of the binder.
Selon une variante possible de l’invention, le procédé comprend en outre, au cours de la réalisation de la pièce verte et de chaque structure de support, la réalisation par fabrication additive par dépôt de fil fondu d’au moins un support de frittage, une structure de support étant disposée entre chaque support de frittage et la pièce verte, chaque structure de frittage étant en un feedstock identique au feedstock de la pièce verte, chaque structure de frittage étant éliminée au cours de la densification de la pièce brune.According to a possible variant of the invention, the method further comprises, during the production of the green part and of each support structure, the production by additive manufacturing by deposition of molten wire of at least one sintering support, a support structure being placed between each sintering support and the green part, each sintering structure being in a feedstock identical to the feedstock of the green part, each sintering structure being eliminated during the densification of the brown part.
De préférence, chaque structure de support disposée entre la pièce verte et une structure de frittage est sous la forme d’une couche.Preferably, each support structure disposed between the green part and a sinter structure is in the form of a layer.
Selon un mode de réalisation préféré de l’invention, l’élimination de chaque structure de support et l’élimination du liant de la pièce verte sont obtenues par dissolution dudit polymère thermoplastique par applications conjointes d’un acide et d’un traitement thermique. Il s’agit d’un déliantage catalytique.According to a preferred embodiment of the invention, the elimination of each support structure and the elimination of the binder from the green part are obtained by dissolving said thermoplastic polymer by joint applications of an acid and a heat treatment. This is a catalytic debinding.
De préférence, le polymère thermoplastique est un polyoxyméthylène (POM). Il peut s’agir d’un polyoxyméthylène homopolymère, obtenu par polymérisation du formaldéhyde, ou d’un polyoxyméthylène copolymère, obtenu par polymérisation du formaldéhyde avec l’oxyde d’éthylène ou le dioxolane.Preferably, the thermoplastic polymer is a polyoxymethylene (POM). It may be a polyoxymethylene homopolymer, obtained by polymerization of formaldehyde, or a polyoxymethylene copolymer, obtained by polymerization of formaldehyde with ethylene oxide or dioxolane.
Selon une variante préférée, le feedstock comporte 60% en volume de poudre et 40% en volume de liant, le composant majoritaire du liant étant le polyoxyméthylène (POM).According to a preferred variant, the feedstock comprises 60% by volume of powder and 40% by volume of binder, the major component of the binder being polyoxymethylene (POM).
Le principe selon l’invention consiste à réaliser, par la technique FFF, à la fois la pièce verte, la ou les structures de support, nécessaire(s) au soutien de la pièce verte au cours de sa fabrication, et la ou les éventuelles structures de frittage, en utilisant, pour chaque structure de support, un matériau de construction correspondant au polymère thermoplastique qui est le composant majoritaire du liant et qui fait office de vecteur de la poudre dans le feedstock utilisé pour la pièce verte et, pour chaque éventuelle structure de frittage, le même feedstock que celui utilisé pour la pièce verte.The principle according to the invention consists in producing, by the FFF technique, both the green part, the support structure(s), necessary for supporting the green part during its manufacture, and the possible sintering structures, using, for each support structure, a construction material corresponding to the thermoplastic polymer which is the main component of the binder and which acts as a vector for the powder in the feedstock used for the green part and, for each eventual sintering structure, the same feedstock used for the green part.
Le matériau de construction de chaque structure de support sera donc éliminé en même temps que le composant majoritaire de la pièce verte lors de l’étape de déliantage de la pièce verte.The construction material of each support structure will therefore be eliminated at the same time as the majority component of the green part during the step of debinding the green part.
Cela permet :
- d'éviter l’emploi d’un matériau support tiers pouvant contaminer la pièce verte ;
- d’éviter de recourir à des paramétries d’impression de pièce et de structure de support très éloignées ; et
- surtout d’éviter une étape supplémentaire d’enlèvement des structures de support post-impression, chronophage et risquant d’endommager la pièce.This allows:
- to avoid the use of a third-party support material that could contaminate the green part;
- to avoid having to use very different part and support structure printing parameters; And
- above all to avoid an additional step of removing the post-printing support structures, which is time-consuming and risks damaging the part.
La solution proposée par l’invention est innovante, car l’enlèvement des structures de support est réalisé en temps masqué lors de l’opération de déliantage nécessaire aux pièces vertes imprimées avec du feedstock.The solution proposed by the invention is innovative, because the removal of the support structures is carried out in masked time during the debinding operation necessary for the green parts printed with feedstock.
Lorsqu’il y a une ou plusieurs structures de frittage, elles sont utilisées pour réaliser le frittage de la pièce déliantée (pièce brune) et sont éliminées au cours du frittage.When there are one or more sintering structures, they are used to sinter the debinded part (brown part) and are eliminated during sintering.
Le procédé selon l’invention est applicable à toute pièce pouvant être fabriquée à partir de feedstock par fabrication additive FFF et nécessitant une ou plusieurs structures de support.The method according to the invention is applicable to any part that can be manufactured from feedstock by FFF additive manufacturing and requiring one or more support structures.
Le procédé selon l’invention présente de nombreux avantages.The method according to the invention has many advantages.
La fabrication de la ou des structures de supports se fait pendant le processus d’impression de la pièce verte et dans des conditions de fabrication proches voire identiques de celles la pièce verte. En effet, la paramétrie développée spécifiquement pour le feedstock est similaire à celles des structures de support dans la mesure où les structures de support sont réalisées avec l’un de ses composés. Le feedstock et le matériau de chaque structure de support sont, de fait, parfaitement compatibles.The manufacture of the support structure(s) is done during the printing process of the green part and under manufacturing conditions close to or even identical to those of the green part. Indeed, the parametry developed specifically for the feedstock is similar to those of the support structures insofar as the support structures are made with one of its compounds. The feedstock and the material of each support structure are, in fact, perfectly compatible.
L’élimination des structures de support est réalisée en temps masqué dans une opération déjà existante (déliantage) de la gamme post-impression des pièces vertes en feedstock. Ainsi, il n’y a pas de temps supplémentaire pour l’enlèvement des structures de support ni de gamme dédiée. Il en est de même lorsqu’il y a une ou plusieurs structures de frittages, puisqu’elles sont éliminées au cours du frittage de la pièce brune.The elimination of the support structures is carried out in masked time in an already existing operation (debinding) of the post-printing range of green parts in feedstock. Thus, there is no additional time for the removal of support structures or dedicated range. The same is true when there are one or more sintering structures, since they are eliminated during the sintering of the brown part.
D’autres avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront dans la description détaillée non limitative ci-dessous.Other advantages and characteristics of the invention will appear in the non-limiting detailed description below.
Cette description sera faite au regard des dessins annexés parmi lesquels :This description will be made with regard to the appended drawings, among which:
DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE MODES DE RÉALISATIONDETAILED DESCRIPTION OF EMBODIMENTS
Dans le cadre de l’invention, on peut utiliser des feedstocks métalliques (par exemple, des feedstocks contenant des matériaux sous forme de poudre tels que les superalliages à base nickel ou cobalt, les aciers, les bases titane, cuivre, etc.) ou des feedstocks céramiques (par exemple, des feedstocks contenant des matériaux sous forme de poudre tels que SiC, Al2O3, ZrO3, etc.). Mais le liant de ces feedstocks doit comporter, comme composant principal, un polymère thermoplastique, qui pourra également être utilisé pour réaliser la (les) structure(s) de support. De préférence, on utilise des feedstocks dont le liant a, comme composant principal, du POM.In the context of the invention, it is possible to use metallic feedstocks (for example, feedstocks containing materials in powder form such as nickel- or cobalt-based superalloys, steels, titanium bases, copper, etc.) or ceramic feedstocks (for example, feedstocks containing materials in powder form such as SiC, Al 2 O 3 , ZrO 3 , etc.). But the binder of these feedstocks must comprise, as the main component, a thermoplastic polymer, which could also be used to produce the support structure(s). Preferably, feedstocks are used whose binder has POM as its main component.
En référence à la figure 3, on réalise, sur un plateau d’impression 2, une pièce verte 1 et sa structure de support 10, à l’aide d’un appareil d’impression comportant deux buses d’extrusion 5. L’ensemble {pièce verte 1 + structure de support 10} est représenté dans la figure 5a.Referring to Figure 3, is produced on a printing plate 2, a green part 1 and its support structure 10, using a printing device comprising two extrusion nozzles 5. together {green part 1 + support structure 10} is shown in figure 5a.
On fait ensuite subir à cet ensemble {pièce verte 1 + structure de support 10} une étape de déliantage qui va permettre à la fois de supprimer le liant de la pièce verte et éliminer la structure de support. L’élimination de chaque structure de support se réalise en temps masqué au cours de l’élimination du composant principal du liant du feedstock.This set {green part 1 + support structure 10} is then subjected to a debinding step which will make it possible both to remove the binder from the green part and eliminate the support structure. The elimination of each support structure is carried out in masked time during the elimination of the main component of the feedstock binder.
À l’issue de l’étape de déliantage, on obtient une pièce brune 11 (figure 5b) qui est poreuse et fragile. Pour être consolidée, la pièce brune doit ensuite être frittée. Pour rappel, le frittage est un traitement thermique effectué à une température inférieure à la température de fusion de la poudre constituant la pièce brune, de manière à densifier la pièce.At the end of the debinding step, a brown part 11 is obtained (FIG. 5b) which is porous and fragile. To be consolidated, the brown part must then be sintered. As a reminder, sintering is a heat treatment carried out at a temperature below the melting temperature of the powder constituting the brown part, so as to densify the part.
Selon un mode de réalisation préféré de l’invention, on utilise un feedstock dont le liant thermoplastique est le polyoxyméthylène (POM) et on utilise également le polyoxyméthylène pour construire le ou les structures de support nécessaires à la construction de la pièce verte.According to a preferred embodiment of the invention, a feedstock is used whose thermoplastic binder is polyoxymethylene (POM) and polyoxymethylene is also used to build the support structure(s) necessary for the construction of the green part.
De préférence, le liant thermoplastique étant le POM, l’étape de déliantage du procédé selon l’invention s’effectue sous acide nitrique et à une température comprise entre 115 et 125°C. Il s’agit d’un déliantage catalytique. Il est à noter que la température de fusion du POM est supérieure à cette température ; elle se situe généralement entre 164°C et 175°C.Preferably, the thermoplastic binder being POM, the debinding step of the process according to the invention is carried out under nitric acid and at a temperature between 115 and 125°C. This is a catalytic debinding. It should be noted that the melting point of POM is higher than this temperature; it is generally between 164°C and 175°C.
De manière connue, un feedstock est un mélange d’une poudre métallique ou céramique et d’un liant thermoplastique, le mélange contenant entre 50 et 65% en volume de poudre. De préférence, le feedstock selon l’invention est un mélange de 60% en volume d’une poudre métallique ou céramique et de 40% en volume de liant, le composant majoritaire du liant étant le polyoxyméthylène (POM). À titre d’exemple, on peut utiliser un feedstock dont le liant est composé de POM, comme composant majoritaire, de polypropylène (PP) comme composant secondaire et d’autres composés en proportions très faibles. Le POM va être éliminé au cours du déliantage de la pièce verte ; le PP, quant à lui, constitue le backbone de la pièce brune et est éliminé au cours de l’étape de frittage de la pièce brune.As is known, a feedstock is a mixture of a metal or ceramic powder and a thermoplastic binder, the mixture containing between 50 and 65% by volume of powder. Preferably, the feedstock according to the invention is a mixture of 60% by volume of a metal or ceramic powder and 40% by volume of binder, the major component of the binder being polyoxymethylene (POM). For example, one can use a feedstock whose binder is composed of POM, as the main component, of polypropylene (PP) as a secondary component and other compounds in very small proportions. The POM will be eliminated during the debinding of the green part; the PP, on the other hand, constitutes the backbone of the brown part and is eliminated during the sintering step of the brown part.
Pour illustrer le procédé selon l’invention, on réalise une pièce verte à l’aide d’une machine de fabrication additive FFF ayant deux buses d’extrusion. L’enceinte de fabrication de la machine peut être régulée en température à une température comprise entre 80 et 150°C, et plus précisément entre 110 et 130°C. Le filament de feedstock a un diamètre compris entre 1,5 et 2 mm. Dans cet exemple de réalisation, le liant du feedstock qu’on utilise comporte entre 7 et 10% massique de POM et la structure de support est constituée uniquement de POM.To illustrate the process according to the invention, a green part is produced using an FFF additive manufacturing machine having two extrusion nozzles. The manufacturing chamber of the machine can be temperature regulated at a temperature between 80 and 150°C, and more precisely between 110 and 130°C. The feedstock filament has a diameter between 1.5 and 2 mm. In this embodiment, the feedstock binder used contains between 7 and 10% by mass of POM and the support structure consists solely of POM.
On peut réaliser uniquement une ou plusieurs structures de support, ainsi que la pièce verte.Only one or more support structures can be made, as well as the green part.
Selon un autre mode de réalisation, on peut également réaliser, en plus de la ou des structures de support 10 et de la pièce verte, une structure de frittage 12 pour chaque structure de support 10, chaque structure de support 10 étant sous la forme d’une couche disposée à l’interface entre la pièce verte et chaque structure de frittage 12, comme représenté dans la figure 3. Chaque structure de frittage 12 est réalisée en un feedstock identique à celui utilisé pour la pièce verte.According to another embodiment, it is also possible to produce, in addition to the support structure(s) 10 and the green part, a sintering structure 12 for each support structure 10, each support structure 10 being in the form of 'a layer disposed at the interface between the green part and each sintering structure 12, as shown in Figure 3. Each sintering structure 12 is made of a feedstock identical to that used for the green part.
La pièce verte peut comporter des ouvertures débouchantes, des canaux internes non débouchants ou les deux.The green part can have through openings, internal blind channels, or both.
Les structures de support 10 sont éliminées lors de l’opération de déliantage catalytique.The support structures 10 are eliminated during the catalytic debinding operation.
S’il y a une ou plusieurs structures de frittage 12, celle(s)-ci subsiste(nt) à l’issue de l’opération de déliantage catalytique et peu(ven)t être utilisée(s) pour le frittage de la pièce. Chaque structure de frittage sera éliminée au cours de l’étape de frittage de la pièce déliantée.If there are one or more sintering structures 12, these remain at the end of the catalytic debinding operation and can be used for sintering the piece. Each sinter structure will be removed during the debinding part sintering step.
REFERENCE CITEECITED REFERENCE
[1] US 10,035,298 B2[1] US 10,035,298 B2
Claims (6)
- la réalisation par fabrication additive par dépôt de fil fondu d’une pièce verte (1) et d’au moins une structure de support (10) ayant une surface de contact avec la pièce verte, la pièce verte étant réalisée à partir d’un feedstock comprenant un liant et une poudre métallique ou céramique, le taux de charge de la poudre étant compris entre 50 et 65% en volume ;
- l’élimination de chaque structure de support (10) ;
- l’élimination du liant de la pièce verte (1) pour obtenir une pièce brune (11) ;
- la densification de la pièce brune par frittage ;
caractérisé en ce que chaque structure de support est constituée d’un polymère thermoplastique qui est également présent comme composant majoritaire dans le liant de la pièce verte, l’élimination de chaque structure de support et l’élimination du liant de la pièce verte étant concomitantes.A method of manufacturing a metal or ceramic part, comprising:
- the production by additive manufacturing by deposition of molten wire of a green part (1) and of at least one support structure (10) having a contact surface with the green part, the green part being made from a feedstock comprising a binder and a metal or ceramic powder, the filler content of the powder being between 50 and 65% by volume;
- the elimination of each support structure (10);
- removing the binder from the green part (1) to obtain a brown part (11);
- densification of the brown part by sintering;
characterized in that each support structure consists of a thermoplastic polymer which is also present as a major component in the binder of the green part, the elimination of each support structure and the elimination of the binder from the green part being concomitant .
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- 2020-09-24 FR FR2009706A patent/FR3114258B1/en active Active
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