WO2020128600A1 - Disque de frein pour véhicule et son procédé de fabrication, dispositif de freinage le comportant et véhicule équipé d'un tel dispositif - Google Patents

Disque de frein pour véhicule et son procédé de fabrication, dispositif de freinage le comportant et véhicule équipé d'un tel dispositif Download PDF

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WO2020128600A1
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WO
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disc
additive manufacturing
deposited
layer
stainless steel
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PCT/IB2018/060514
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Aurélien BUTERI
Jean-Michel Damasse
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Aperam
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Definitions

  • the present invention relates to the field of brake discs for vehicles.
  • Brake discs for motor and rail vehicles are mostly made of cast iron elements. This material has the advantages of being easy to process and of having a reduced cost, which is important for vehicles produced in large series. Its coefficient of friction with the brake caliper linings is suitable for the most common uses if brake linings are designed accordingly, even if it is not optimal for the most demanding uses. But cast iron is not very aesthetic, and is subject to corrosion by humidity, as well as to an oxidation induced by heating of the disc during braking phases.
  • - silicate ceramics are the oldest, mainly made from raw materials combined with aluminas such as aluminum silicate;
  • - oxidized ceramics which consist mainly of metal oxides such as zirconium oxide or alumina;
  • non-oxidized ceramics which are materials based on carbon, nitrided and silicone compounds such as silicon carbide, tungsten carbide or aluminum nitride.
  • stainless steel in particular its martensitic nuances, is used today only for very specific applications, in particular for motorized and non-motorized two-wheelers, where an attractive aesthetic is deemed necessary, and where the stresses of the disc during braking are more limited than on larger vehicles (less energy to dissipate due to the lower mass of two-wheeled vehicles).
  • the brake discs for two-wheeled motorized or not have a thickness much less than that of private vehicles with 4 wheels, of the order of 3.5 to 6 mm, adapted to the thermal stresses to bear. This low mass also leads to a material cost which remains acceptable, whereas a stainless steel disc for a heavier vehicle would be significantly more expensive than a cast iron disc for the same use.
  • cast iron discs are susceptible to corrosion by ambient humidity, resulting in surface corrosion which leads to a gradual decrease in their total mass.
  • This surface corrosion occurs particularly during periods of non-use of the vehicle, during which the ambient humidity remains in contact with the cold and stationary disc.
  • This surface corrosion results in the emission of fine oxidized particles during braking, in particular from those immediately following a period of immobility of the vehicle. It is a factor in the wear of brake discs, the quantitative importance of which and the harmful effects on the environment have been greatly underestimated until very recent times.
  • the disc must be changed. If the disc has a nominal thickness of 20 mm, this means that it is discarded when it still has at least 80% of its initial mass. This replacement of the disc may have to be carried out several times during the life of the vehicle depending on the type of driving of the user and the environment in which the car is most often used (urban, rural or marine environment for example ).
  • AI alloys have relatively high thermal expansion and deformation, and lose much of their mechanical strength when their temperature increases. They are also more expensive than cast iron or stainless steel.
  • the object of the invention is to provide car manufacturers with effective brake disks for land vehicles, in particular motor vehicles and railways, and for air vehicles, and emitting as little fine particles as possible during their use. Ideally, these discs should have a lifespan at least equal to that of the vehicle for which they are intended.
  • the subject of the invention is a brake disc for a vehicle, comprising at least one zone intended to come into contact with a lining of a brake caliper, characterized in that it consists of:
  • a base material chosen from a cast iron, carbon steel, stainless steel or another ferrous alloy, an aluminum alloy;
  • a coating material comprising at least one compound which has been deposited by an additive manufacturing process on said base material in the at least one zone intended to come into contact with a lining of a brake caliper.
  • Said material deposited by an additive manufacturing process can be chosen from stainless steel, carbon used in its pure state or as a reinforcing element for another metallic, ceramic or polymeric material, technical ceramics.
  • Said material deposited by additive manufacturing can be a technical ceramic chosen from SiC, VC, TiC, WC, TiB 2 , BN, CrN, TiN, SiN, AIN, Al 2 0 3 .
  • Said coating material may have a composition gradient, the proportion of the material with a high coefficient of friction increasing in stages or continuously depending on the thickness of the layer of coating material, the remainder of said layer and said base material being each consisting of iron, or cast iron, or carbon steel, or stainless steel, or a ferrous alloy.
  • Said base material may have undergone an anti-corrosion surface treatment in the areas not coated with said coating material.
  • Said area intended to come into contact with a lining of a brake caliper can be included in a recess made in said first material, said recess containing said coating material.
  • the invention also relates to a method of manufacturing a brake disc for a vehicle, comprising at least one zone intended to come into contact with a lining of a brake caliper, characterized in that: - Preparing a disc made of a base material chosen from a cast iron, carbon steel, stainless steel or another type of ferrous alloy, an aluminum alloy;
  • At least one area intended to come into contact with a brake caliper by at least one coating layer comprising a material chosen from stainless steel, carbon used in its pure state or as a reinforcing element of another metallic, ceramic or polymeric material, technical ceramics.
  • Said additive manufacturing process can be chosen from
  • the coating layer deposited by additive manufacturing can be given a composition gradient, the proportion of the material increasing in stages or continuously as the thickness of the layer of coating material deposited increases.
  • the base material of the disc the remainder of said layer consisting of iron, cast iron, carbon steel, stainless steel or another ferrous alloy.
  • the proportion of the material chosen from stainless steel, carbon used in the pure state or as a reinforcing element for another metallic, ceramic or polymeric material, technical ceramics in the coating layer deposited by additive manufacturing can reach 100% before the completion of the additive manufacturing operation.
  • An anti-corrosion surface treatment of the disc can be carried out in the areas of said base material not coated with said coating material.
  • Said second component (B) can be deposited in said recesses by additive manufacturing.
  • the invention also relates to a braking device for a vehicle, comprising at least one disc and at least one caliper and its fittings, characterized in that the disc is of the previous type.
  • the invention also relates to a road, rail or air vehicle equipped with one or more braking devices, characterized in that it comprises at least one braking device of the above type.
  • the invention consists in manufacturing a brake disc with a multilayer structure, at least in the areas which are called to be the most stressed by the linings of the calipers of the braking device:
  • a support part made of a base material chosen from cast iron, an aluminum alloy, a carbon steel, and preferably a stainless steel (generally, the base material is a ferrous alloy), which constitutes the 'essential mass of the disc;
  • At least one layer added by additive manufacturing in other words by 3D printing, in the area or areas called to be highly stressed by a lining of the brake caliper.
  • the layer added by additive manufacturing is most often of a different nature from that of the support, and is typically stainless steel, carbon used in the pure state (graphite, graphene) or as an element of reinforcement of another metallic, ceramic or polymeric material, a technical ceramic such as Al 2 0 3 , SiC, VC, TiC, TiB 2 , WC, nitrides such as BN, CrN, TiN, SiN, AIN, which are known to be used to make complete brake discs, or would be clearly suitable for this use regardless of the economic aspects which would make the material less attractive than those used more commonly.
  • the creation of a mixed gradient material, of metallic composite type with ceramic matrix is, of course, made possible by the proposed approach, and we will see the advantages. It is also possible to superimpose, at least locally, several layers of different materials.
  • a correction of the surface of the layer added by additive manufacturing can be carried out, to give it the flatness necessary for good contact with the linings if this flatness turns out to be insufficient after deposition.
  • the invention makes it possible to take advantage of the advantages of expensive materials, having excellent friction properties with, therefore, very effective induced braking, and insensitive to oxidation by humidity on the braking efficiency and the 'emission of fine particles by the areas coming into contact with the caliper linings, without having to make the entire disc with these same materials.
  • This gives an overall cost of manufacturing the disc which is not prohibitive for use on vehicles produced in large series, and may allow the use, to ensure the braking of the vehicle, of effective and corrosion-resistant materials which it would, however, be too costly to use alone to form the disc in the context of '' mass production of a vehicle intended for the general public.
  • stainless steel has the advantage of being less expensive than the other materials mentioned, of requiring for its deposition only powders which are already either widely marketed, or which could be, in the future, more specially developed. for this application but which would not pose any particular manufacturing problems, and to ensure excellent adhesion to the support, when the latter is made of ferrous alloy, a fortiori if it is itself of stainless steel, in particular of the same shade as the coating. Its filing by additive manufacturing, as part of the invention, is therefore not to be ruled out.
  • the invention may be applied with a cast iron, or carbon steel, or a ferrous alloy in general, other than stainless steel, or an aluminum alloy, as the base material of the disc. But it is clear that, in these cases, only some of the problems facing the manufacturers and users of the disc are completely resolved. It is thus possible to obtain very good braking efficiency for a manufacturing and operating cost which remains very reasonable taking into account the low price of cast iron and carbon steel, compared to stainless steel. Furthermore, remission of fine particles resulting from the pressure exerted by the stirrup linings on cast iron or steel is eliminated, since in the case of the invention, the linings act on the layer added by additive manufacturing: in the area coated with the basic ferrous alloy is protected against both friction and corrosion.
  • the advantage of stainless steel over other common ferrous alloys, to preferably constitute the base material of the disc according to the invention, is that it also makes it possible to greatly reduce the wear by corrosion and the oxidation of the material. base, in areas not coated with the layer deposited by additive manufacturing.
  • the life of the base material of the disc can therefore be very long, optimally at least equal to that of the vehicle it equips.
  • another advantage of the invention is that when the non (or weakly) oxidizable and non (or weakly) corrodible layer added by additive manufacturing begins to exhibit wear which is considered excessive, it is possible to regenerate the disc by making it recover its initial state.
  • This is achieved in a simple and rapid manner by removing all or part of all that remains of the layer added by additive manufacturing, by means of machining or any other equivalent process, then by depositing a new layer added on the base material, or on what remains of the original layer added after machining, again by additive manufacturing, so as to restore the disc to its new configuration and dimensions.
  • a rectification of the surface of this new deposit can be useful to provide it with the necessary flatness.
  • This regeneration of the disc can be done very quickly, in particular by a mechanic or a mechanic, who would only need to have a machining station or equivalent to partially or completely remove the remainder of the used added layer, a tool for additive manufacturing (3D printer) which can be simple to use, a reserve of powder of the material or materials to be added and a tool making it possible to correct the surface of the deposited layer to give it the desired thickness, flatness and surface condition.
  • This tool can, as already exists, be installed on the 3D printer itself. This is, for example, the case on the DMG Mori LaserTec 65 3D machine.
  • the additive manufacturing device includes means making it possible to detect precisely which zones would need to be regenerated, and over which thickness. Any unevenness in the thickness of the regenerated deposit can be eliminated during rectification.
  • This regeneration would therefore be likely to be carried out during a normal vehicle overhaul operation, without having to excessively lengthen it.
  • the overhaul of the vehicle would then be no longer than a conventional overhaul in which the brake discs would need to be replaced.
  • the general design of the brake disc according to the invention does not need to be greatly modified compared to that of a disc of the prior art, in particular for the way in which the ventilation channels are provided if the disc is a ventilated disc.
  • a person skilled in the art will be able to easily determine these modifications, depending on the locations of the usual wear zones of the disc and the thickness of material to be deposited by additive manufacturing which he must respect.
  • a modification that it may be necessary to make to a disc of a preexisting type is, in particular, to reduce the thickness of the base material of the disc, at least where the material to be added by additive manufacturing will be deposited.
  • a recess is thus formed, typically placed on the periphery or in the vicinity of the periphery of the base material of the disc, in any case placed so as to include the zone intended to come into contact with a lining during braking, and this recess is filled (partially or completely) by the material added by additive manufacturing. Once this material has been deposited, the disc taken as a whole regains its nominal thickness and external shape everywhere.
  • the layer of material deposited by additive manufacturing can simply be added to the flat surface of the base material of the disc, locally increasing the nominal thickness of the disc, which must be taken into account during manufacture and adjustment. stirrups and their fittings.
  • the solution consisting in making a recess on the disc and in placing there the material deposited by additive manufacturing is advantageous especially when the two materials in play are clearly different, and that problems of insufficient adhesion of one on the other and maintaining the cohesion of the assembly could arise, because thus it increases the contact surface between the two materials, and it makes more difficult any possible removal of the deposited material.
  • the maximum thickness of the disc according to the invention remains of the order of magnitude that of conventional mono-material discs of comparable shape and design that the disc of the invention can be expected to replace. It may be sufficient to provide for a reduction in the thickness of the base material of an already existing disc model only in areas where the coating material is applied by additive manufacturing. A technically simpler possibility is also to work on from sheets of lesser thickness on which the deposition operation by additive manufacturing would be carried out. It is thus possible to save the associated machining costs.
  • Routine experiments allow a person skilled in the art to adjust the operating conditions of the additive manufacturing operation so that, taking into account in particular the precise natures of the support material and of the addition material or materials, the adhesion of the second on the first is suitable, as well as the thermal deformations that can be induced by the energy supply.
  • a ferrous alloy for the two parts of the disc is certainly to guarantee excellent adhesion of the layer of additive material to the base material, which could be better than if these two materials were of very different natures and that no particular non-obvious precautions were taken to ensure this adhesion.
  • An advantageous embodiment of the invention consists, during additive manufacturing, of imposing a composition gradient on the deposited layer, if the chosen additive manufacturing process and installation allow it. To do this, it is necessary to have a machine having at least two powder spray heads, which is quite common in the prior art, each head projecting a different material, the proportion of which, in the entire coating deposited at a given time, can be adjusted at will by playing on the respective flow rates of the materials.
  • the DMG Mori LaserTec 65 3D machine mentioned above can thus be equipped, as can the BeAM Magic 800.
  • a material is deposited which has very largely, or even completely, a chemical composition identical or similar to that of the base material of the disc (in other words, is constituted by a cast iron, a carbon steel, a ferrous alloy any or, preferably, stainless steel; iron without alloying elements in significant quantities would also be possible, such as sometimes an aluminum alloy), so as to ensure an excellent mechanical anchoring of the layer deposited on the base material since this amounts to carrying out a strong welding between the materials considered.
  • the proportion of the material supposed to be the main material of the coating to be deposited is gradually increased, continuously or in stages, until typically reaching a proportion of 100% of this material before the end of the additive manufacturing operation, proportion which is preferably maintained at least over the thickness of the layer which will wear out during braking until regeneration of the disc is considered as needed.
  • the layer of added material (stainless steel, carbon, technical ceramic such as SiC, VC, TiC, WC, TiB 2 , Al 2 0 3 , nitrides such as BN, CrN, TiN, SiN , AIN, or other), not by additive manufacturing but simply by manufacturing with said material a part of adequate dimensions and by fixing it to the disc by a conventional technique: screwing, brazing, ultrasonic welding, gluing or other, deposit this material by an additive manufacturing process, which has today reached sufficient maturity to be used industrially in the context of the invention, has multiple advantages.
  • the mechanical junction between the ferrous alloy or aluminum alloy substrate and the coating is of very good quality, in particular if the coating and the substrate both contain a significant proportion of iron, i.e. in their entire volume (for example example, a substrate and a coating of stainless steel), either only or mainly in the vicinity of their interface if the principle of a composition gradient coating as described has been used.
  • the production of such a composition gradient is practically only practicable industrially by additive manufacturing.
  • Another possibility would be to firstly create a deposit of a material A (or of a mixture A of different materials, in particular if one wants to form a layer with a composition gradient) of uniform thickness by additive manufacturing, then d '' locally machine the surface of this deposit to create a pattern with recesses, then fill these recesses by adding, preferably also by additive manufacturing, a material B, and finally, if necessary, to rectify the entire coating of the surface of the disc.
  • Material B can be chosen for its friction properties, or for any other physical property that it could be interesting to combine with those of material A (thermal properties, for example). In this way, a hybrid coating is obtained on the surface of the disc which can make it possible to combine, to a certain extent, the respective advantages of the materials A and B.
  • the manufacture and / or regeneration of the disc according to the invention can be completed by heat treatment of the entire disc, the aim of which is to ensure homogenization of the respective properties of the different areas of the disc, if this homogenization has not not reached during deposition in the additive manufacturing zone, or if the additive manufacturing introduced local microstructural modifications in the base material of the disc.
  • Another advantage of the method according to the invention and of the resulting brake disc is that the nature of the material deposited by additive manufacturing can be modified during the lifetime of the basic disc, compared to the nature of the initial material deposited during from the previous manufacturing or repair of the disc.
  • the performance of the disc can therefore be improved compared to its initial performance, for example if a new material more satisfactory than the initial material has been developed since the manufacture of the disc or if the user of the vehicle, and therefore the type of use of the vehicle on a daily basis, has changed, or if the legislation in force has changed so that a material which would have been authorized at the time of the initial manufacture of the disc had become undesirable at the time of the regeneration of the disc.
  • Such a modification could also allow a car manufacturer to use the same brake disc base for vehicles of different ranges, therefore having variable needs in terms of braking performance, depending on the mass of the vehicle, its engine , etc.
  • the nature (single or multiple material) and the deposition strategy (in particular the thickness) make it possible to precisely adapt the performance of the disc to the needs of the vehicle concerned. Most of the manufacturing of the disc can thus be standardized, with the associated cost reductions.
  • - for the base material of the disc cast iron, carbon steel or, preferably, stainless steel, such as martensitic stainless steel of type AISI 420, also designated by European references 1 .4021 or 1.4028, or martensitic stainless steel described in application PCT / IB2017 / 053975 in the name of the Applicant, and whose composition is: 0.005% ⁇ C ⁇ 0.3%; 0.2% £ Mn £ 2.0%; traces £ If ⁇ 1.0%; traces ⁇ S ⁇ 0.01%; traces £ P £ 0.04%; £ 10.5% Cr £ 17.0%; preferably £ 10.5% Cr £ 14.0%; traces £ Ni £ 4.0%; traces £ Mo ⁇ 2.0%; Mo + 2 x W £ 2.0%; traces ⁇ Cu ⁇ 3%; traces £ Ti £ 0.5%; traces £ Al £ 0.2%; traces ⁇ O ⁇ 0.04%; 0.05% £ Nb £ 1.0%; 0.05% £ Nb + Ta £ 1.0%; 0.25% £ (Nb + Ta)
  • a stainless steel chosen, for example, from the grades mentioned above as being able to constitute the main material of the disc, carbon used in the pure state ( graphite, graphene) or as a reinforcing element of another metallic, ceramic or polymeric material, technical ceramics such as SiC, VC, TiC, WC, TiB 2 , Al 2 0 3 , BN, CrN, TiN, SiN, AIN .
  • the invention is applicable to all types of known brake discs: solid discs, perforated discs, ventilated discs formed from two plates between which cooling channels are defined, or any other brake design. disc that can be encountered in the automotive, two-wheeled, railway or aeronautical fields.
  • the coating deposited by additive manufacturing can be deposited on only one of the faces of the disc (typically that which comes first into contact with the caliper lining during braking and which is therefore always stressed on this occasion) or, preferably, on its two faces which are each intended to come into contact with a lining of the caliper, at least when the braking is sufficiently violent so that the two linings of the caliper are each brought to exert a strong pressure on a face of the disc.
  • the invention also relates to a vehicle braking device comprising in particular at least one disc of the type which has been described and at least one caliper and its fittings, cooperating with the disc during braking, as well as a road, rail vehicle or aerial, equipped with at least one such braking device.

Abstract

Disque de frein pour véhicule, comportant au moins une zone destinée à venir au contact d'une garniture d'un étrier de frein caractérisé en ce qu'il est constitué par : un matériau de base choisi parmi une fonte, un acier au carbone, un acier inoxydable ou un autre alliage ferreux; un matériau de revêtement comportant un composé qui a été déposé par un procédé de fabrication additive sur ledit matériau de base dans l'au moins une zone destinée à venir au contact d'une garniture d'un étrier de frein. Procédé de fabrication d'un tel disque de frein. Dispositif de freinage comportant un tel disque. Véhicule routier, ferroviaire ou aérien, comportant au moins un tel dispositif de freinage.

Description

DESCRIPTION
Disque de frein pour véhicule et son procédé de fabrication, dispositif de
freinaqe le comportant et véhicule équipé d’un tel dispositif
La présente invention concerne le domaine des disques de frein pour véhicules.
Les disques de frein pour véhicules automobiles et ferroviaires sont, la plupart du temps, constitués par des éléments en fonte. Ce matériau a pour avantages d’être facile à mettre en oeuvre et d’avoir un coût réduit, ce qui est important pour les véhicules produits en grande série. Son coefficient de frottement avec les garnitures des étriers de freins est convenable pour les usages les plus courants si on utilise des garnitures de freins conçues en conséquence, même s’il n’est pas optimal pour les usages les plus exigeants. Mais la fonte est peu esthétique, et est sujette à la corrosion par l’humidité, ainsi qu’à une oxydation induite par réchauffement du disque lors des phases de freinage.
En conséquence, pour des véhicules routiers de haut de gamme ou de compétition, dans lesquels les disques sont partiellement visibles depuis l’extérieur et/ou pour lesquels on recherche des performances élevées en termes de frottement avec les garnitures des étriers de freins, une économie maximale sur le poids et/ou une excellente résistance à l’oxydation, on utilise souvent, pour fabriquer l’ensemble du disque, d’autres matériaux tels que le carbone ou des céramiques techniques qui sont particulièrement efficaces (au moins à hautes températures pour le carbone) et endurants, mais sont très onéreux.
On rappelle que les céramiques techniques sont définies comme étant des matériaux non métalliques et non organiques obtenu par l'action de fortes températures et destinés à des applications industrielles. Il en existe plusieurs types :
- les céramiques silicatées sont les plus anciennes, principalement fabriquées à partir de matières premières combinées avec des alumines comme le silicate d'aluminium ;
- les céramiques oxydées qui se composent principalement d'oxydes de métaux tels que l'oxyde de zirconium ou l’alumine ;
- les céramiques non oxydées qui sont des matériaux à base de composés carbonés, nitrurés et siliconés tels que le carbure de silicium, le carbure de tungstène ou le nitrure d'aluminium.
Les avions utilisent souvent des disques en carbone, qui sont forcément coûteux compte tenu de leur taille. Des aciers inoxydables seraient aussi des candidats possibles pour une telle utilisation sur des véhicules routiers de grande série ou d’autres véhicules, une fois admis que leur densité, qui est comparable à celle d’un disque en fonte de mêmes dimensions, ne serait pas un inconvénient majeur. Ils possèdent une bonne tenue en température et une bonne capacité à dissiper la chaleur, même si elle est moindre que celle des fontes dans le cas des aciers inoxydables austénitiques. Mais peu de développements ont été menés jusqu’ici, quant aux matériaux de garnitures afin que ces derniers soient particulièrement adaptés aux aciers inoxydables en vue d’une utilisation sur des dispositifs de freinage pour automobiles et autres gros véhicules de façon à assurer un freinage très efficace.
En conséquence, l’acier inoxydable, en particulier ses nuances martensitiques, n’est utilisé aujourd’hui que pour des applications très spécifiques, notamment pour des deux-roues motorisés ou non, où une esthétique attrayante est jugée nécessaire, et où les sollicitations du disque lors du freinage sont plus limitées que sur les plus gros véhicules (moindre énergie à dissiper du fait de la moindre masse des véhicules à deux roues). De fait, les disques de frein pour deux-roues motorisés ou non possèdent une épaisseur bien moindre que celles des véhicules particuliers à 4 roues, de l’ordre de 3,5 à 6 mm, adaptée aux sollicitations thermiques à supporter. Cette faible masse conduit également à un coût matière qui demeure acceptable, alors qu’un disque en acier inoxydable pour un véhicule plus lourd reviendrait nettement plus cher qu’un disque en fonte pour la même utilisation.
D’autre part, les disques en fonte, comme déjà dit, sont sensibles à la corrosion par l’humidité ambiante, avec pour résultat une corrosion superficielle qui conduit à une diminution progressive de leur masse totale. Cette corrosion superficielle se produit particulièrement lors des périodes de non-utilisation du véhicule, pendant lesquelles l’humidité ambiante subsiste au contact du disque froid et immobile. Cette corrosion superficielle se traduit par une émission de particules fines oxydées lors des freinages, en particulier de ceux qui suivent immédiatement une période d’immobilité du véhicule. Elle constitue un facteur d’usure des disques de freins dont l’importance quantitative et les effets nocifs pour l’environnement ont été beaucoup sous-estimés jusqu’à une époque très récente.
A ces particules liées à la corrosion des disques s’ajoutent celles induites par réchauffement en utilisation au cours d’un freinage, et donc l’oxydation inhérente inévitable de ces derniers. Entre chaque frottement avec les garnitures, la surface subit en effet une oxydation instantanée du fait de la température élevée atteinte par le disque, notamment en extrême surface. Cette température est d’autant plus élevée que le freinage est long (longue distance de freinage) ou intense (arrêt d’urgence). Chaque passage de la garniture sur la surface nouvellement oxydée, soit l’équivalent d’un tour de disque, est source d’émission de particules d’oxydes.
Un rapport de la Commission Européenne de 2014 « Non-exhaust traffic related émissions. Brake and tyre wear PM » constate, notamment, que l’usure des disques contribuerait pour 13 à 55% de la masse totale de particules PM10 (les particules de moins de 10 pm) émises en milieu urbain. Et 40 à 50% de ces particules issues des disques seraient directement émises dans l’atmosphère, le reste se déposant sur le véhicule ou la route. Parmi ces particules figureraient des nanoparticules de moins de 80 nm qui sont a priori très nocives pour la santé humaine. Le phénomène est également constaté dans les gares, et surtout dans les stations de métro, qui sont un espace confiné et où la teneur de l’air en particules fines liées au freinage des rames est particulièrement élevée.
Ainsi, contrairement à ce qu’on pensait jusqu’alors, l’émission de particules fines liée au freinage des véhicules est loin d’être marginale. Il est très possible que dans l’avenir, cette source d’émission de particules fines fasse, elle aussi, l’objet de mesures législatives visant à limiter son importance, comme c’est déjà le cas pour les émissions de particules fines liées à la combustion du carburant. De plus, contrairement aux idées reçues, de par les mécanismes couplés de corrosion/oxydation des disques de frein, 90% des particules émises lors du freinage proviennent du disque et non de la garniture utilisée comme contre-matériau. Le changement plus fréquent de la garniture plutôt que du disque est simplement lié à un effet de dimension (la garniture est plus petite que le disque) et au fait que sa surface de travail est en contact permanent avec le disque lors d’un freinage : son usure finale jusqu’à un degré nécessitant son remplacement arrive plus rapidement que l’usure finale du disque.
L’utilisation de disques en acier inoxydable est de nature à fortement atténuer ce problème d’émission de particules fines, du fait de la corrosion réduite de son matériau par l’humidité ambiante. Sa bonne résistance à l’oxydation lors des sollicitations thermiques serait aussi avantageuse vis-à-vis des émissions de particules ainsi que pour la durée de vie du disque. Mais son utilisation sur les véhicules plus lourds que les deux- roues, tels que les automobiles, trains, avions, aurait les inconvénients que l’on a dits, liés notamment au coût matière de l’acier inoxydable plus élevé que ceux des fontes, des aciers au carbone et d’autres types d’alliages ferreux dont l’utilisation serait éventuellement envisageable.
Classiquement, on considère qu’au-delà d’une usure de 2 à 4 mm sur l’épaisseur des disques dans les zones sollicitées par les freinages, le disque doit être changé. Si le disque a une épaisseur nominale de 20 mm, cela veut dire qu’il est mis au rebut alors qu’il possède encore au moins 80% de sa masse initiale. Ce remplacement du disque peut devoir être effectué plusieurs fois au cours de la vie du véhicule en fonction du type de conduite de l’utilisateur et de l’environnement dans lequel la voiture est le plus souvent utilisé (milieu urbain, rural ou marin par exemple).
Même s’il est souvent possible de recycler, sous forme de ferrailles, la matière constituant le disque, cela entraîne un gaspillage de la matière, de l’énergie utilisée pour la refonte ainsi que de l’énergie utilisée pour la fabrication du nouveau disque, gaspillage qu’il serait préférable de limiter autant que possible.
Ce gaspillage est d’autant plus dommageable que la fabrication du disque a été complexe et coûteuse, en particulier si le disque est un disque ventilé, dont la conception générale s’éloigne de celle d’un simple disque plein (ou de celle d’un disque perforé, à savoir un disque plein traversé de part en part par des orifices qui permettent une circulation d’air favorisant son refroidissement et l’évacuation des particules et de l’humidité déposées sur le disque). On rappelle qu’un disque ventilé comporte deux portions circulaires placées en regard l’une de l’autre, reliées par des « ponts » ménageant des canaux de circulation d’air entre les portions circulaires. A noter que l’intérêt d’un disque ventilé en fonte est, somme toute, assez limité, car l’oxyde qui se forme au fur et à mesure de l’utilisation du disque de frein (par corrosion et oxydation cumulés) et qui n’est pas supprimé à chaque freinage (car non situé dans la zone de frottement) constitue à terme une barrière thermique réduisant de manière importante l’efficacité initiale souhaitée pour le refroidissement. En effet, un oxyde est, par nature, isolant thermiquement.
On a imaginé, dans le document US-A-2018/0209498, de réaliser un disque de frein entièrement en un alliage d’AI. Ce disque est formé d’une partie de base forgée en alliage d’AI, et d’une partie en alliage d’AI, éventuellement additivé de SiC, qui est formée à partir de la tranche de la partie de base par un procédé de fabrication additivé, et est refroidie à une vitesse élevée pendant sa fabrication. Cette partie ajoutée représente la plus grande partie du disque final et possède une forme très complexe, par exemple celle d’un disque ventilé. On obtient ainsi un disque léger, censé être résistant à l’abrasion. La fabrication additivé permet d’éviter les problèmes de coulabilité et de finition coûteuse que poserait la réalisation intégrale de ce disque par un autre procédé de mise en forme.
Cependant, l’utilisation d’un alliage d’AI comme matériau unique du disque n’est pas sans inconvénients. La faible dureté de ce matériau entraîne que, lors des freinages, une quantité de particules nocives plus importante que pour des matériaux plus durs est émise. On retombe donc sur l’un des problèmes précédemment évoqués. De plus, les alliages d’AI ont de relativement fortes dilatation et déformation à chaud, et perdent une grande partie de leur résistance mécanique lorsque leur température augmente. Ils sont aussi plus coûteux que la fonte ou l’acier inoxydable.
Le but de l’invention est de procurer aux constructeurs automobiles des disques de freins efficaces pour des véhicules terrestres, notamment automobiles et ferroviaires, et pour des véhicules aériens, et émettant aussi peu de particules fines que possible durant leur utilisation. Idéalement, ces disques devraient avoir une durée de vie au moins égale à celle du véhicule auquel ils sont destinés.
A cet effet, l’invention a pour objet un disque de frein pour véhicule, comportant au moins une zone destinée à venir au contact d’une garniture d’un étrier de frein, caractérisé en ce qu’il est constitué par :
- un matériau de base choisi parmi une fonte, un acier au carbone, un acier inoxydable ou un autre alliage ferreux, un alliage d’aluminium ;
- un matériau de revêtement comportant au moins un composé qui a été déposé par un procédé de fabrication additive sur ledit matériau de base dans l’au moins une zone destinée à venir au contact d’une garniture d’un étrier de frein.
Ledit matériau déposé par un procédé de fabrication additive peut être choisi parmi un acier inoxydable, du carbone utilisé à l’état pur ou comme élément de renforcement d’un autre matériau métallique, céramique ou polymérique, les céramiques techniques.
Ledit matériau déposé par fabrication additive peut être une céramique technique choisie parmi SiC, VC, TiC, WC, TiB2, BN, CrN, TiN, SiN, AIN, Al203.
Ledit matériau de revêtement peut présenter un gradient de composition, la proportion du matériau à haut coefficient de frottement augmentant par paliers ou de façon continue selon l’épaisseur de la couche de matériau de revêtement, le restant de ladite couche et ledit matériau de base étant chacun constitués par du fer, ou une fonte, ou un acier au carbone, ou un acier inoxydable, ou un alliage ferreux.
Ledit matériau de base peut avoir subi un traitement superficiel anti-corrosion dans les zones non revêtues par ledit matériau de revêtement.
Ladite zone destinée à venir au contact d’une garniture d’un étrier de frein peut être incluse dans un évidement ménagé dans ledit premier matériau, ledit évidement renfermant ledit matériau de revêtement.
L’invention a également pour objet un procédé de fabrication d’un disque de frein pour véhicule, comportant au moins une zone destinée à venir au contact d’une garniture d’un étrier de frein, caractérisé en ce que : - on prépare un disque réalisé en un matériau de base choisi parmi une fonte, un acier au carbone, un acier inoxydable ou un autre type d’alliage ferreux, un alliage d’aluminium;
- et on recouvre par un procédé de fabrication additive ladite au moins une zone destinée à venir au contact d’un étrier de frein par au moins une couche de revêtement comportant un matériau choisi parmi un acier inoxydable, le carbone utilisé à l’état pur ou comme élément de renforcement d’un autre matériau métallique, céramique ou polymérique, les céramiques techniques.
Ledit procédé de fabrication additive peut être choisi parmi
- la fabrication additive par dépôt de fil ; et
- la fabrication additive par projection de poudre dans un faisceau laser, la poudre fondue dans le laser venant se déposer et se solidifier sur le matériau de base, puis sur la poudre fondue déjà déposée.
On peut conférer à la couche de revêtement déposée par fabrication additive un gradient de composition, la proportion du matériau augmentant par paliers ou de façon continue au fur et à mesure de l’augmentation de l’épaisseur de la couche de matériau de revêtement déposée sur le matériau de base du disque, le restant de ladite couche étant constitué par du fer, une fonte, un acier au carbone, un acier inoxydable ou un autre alliage ferreux.
La proportion du matériau choisi parmi un acier inoxydable, le carbone utilisé à l’état pur ou comme élément de renforcement d’un autre matériau métallique, céramique ou polymérique, les céramiques techniques dans la couche de revêtement déposée par fabrication additive peut atteindre 100% avant l’achèvement de l’opération de fabrication additive.
On peut exécuter un traitement superficiel anti-corrosion du disque dans les zones dudit matériau de base non revêtues par ledit matériau de revêtement.
Après une opération de dépôt d’une couche d’au moins un premier composant (A) par fabrication additive, on peut réaliser un usinage local de la surface de ladite couche pour y ménager des creux, et on dépose ensuite un deuxième composant (B) à l’intérieur desdits creux.
Ledit deuxième composant (B) peut être déposé dans lesdits creux par fabrication additive.
Après le dépôt de la couche de revêtement, on peut procéder à un traitement thermique d’homogénéisation des propriétés respectives des différentes zones du disque. L’invention a également pour objet un dispositif de freinage pour un véhicule, comportant au moins un disque et au moins un étrier et ses garnitures, caractérisé en ce que le disque est du type précédent.
L’invention a également pour objet un véhicule routier, ferroviaire ou aérien équipé d’un ou plusieurs dispositifs de freinage, caractérisé en ce qu’il comporte au moins un dispositif de freinage du type précédent.
Comme on l’aura compris, l’invention consiste à fabriquer un disque de frein à structure multicouches, au moins dans les zones qui sont appelées à être les plus sollicitées par les garnitures des étriers du dispositif de freinage :
- une partie support en un matériau de base choisi parmi la fonte, un alliage d’aluminium, un acier au carbone, et de préférence, un acier inoxydable (de façon générale, le matériau de base est un alliage ferreux), qui constitue l’essentiel de la masse du disque ;
- et au moins une couche ajoutée par fabrication additive, autrement dit par impression 3D, dans la ou les zones appelées à être fortement sollicitées par une garniture de l’étrier du frein.
La couche ajoutée par fabrication additive est, le plus souvent, d’une nature différente de celle du support, et est, typiquement, de l’acier inoxydable, du carbone utilisé à l’état pur (graphite, graphène) ou comme élément de renforcement d’un autre matériau métallique, céramique ou polymérique, une céramique technique telle que Al203, SiC, VC, TiC, TiB2, WC, des nitrures tels que BN, CrN, TiN, SiN, AIN, qui sont connus pour être utilisés pour fabriquer des disques de freins complets, ou seraient manifestement aptes à cette utilisation indépendamment des aspects économiques qui rendraient le matériau moins attractif que ceux utilisés de façon plus courante. La création d’un matériau mixte à gradient, de type composite métallique à matrice céramique est, bien entendu, rendue possible par l’approche proposée, et on en verra les avantages. Une superposition, au moins localement, de plusieurs couches de matériaux différents est aussi envisageable.
Une rectification de la surface de la couche ajoutée par fabrication additive peut être effectuée, pour lui procurer la planéité nécessaire à un bon contact avec les garnitures si cette planéité s’avérait insuffisante après le dépôt.
Autrement dit, l’invention permet de profiter des avantages de matériaux coûteux, possédant d’excellentes propriétés en frottement avec, donc, un freinage induit très efficace, et insensibles à l’oxydation par l’humidité sur l’efficacité du freinage et l’émission de particules fines par les zones venant au contact des garnitures des étriers, sans pour autant devoir réaliser l’ensemble du disque avec ces mêmes matériaux. On obtient ainsi un coût global de la fabrication du disque qui n’est pas prohibitif pour une utilisation sur des véhicules produits en grande série, et peut permettre d’utiliser, pour assurer le freinage du véhicule, des matériaux efficaces et résistants à la corrosion qu’il serait, cependant, trop coûteux d’employer seuls pour former le disque dans le contexte d’une fabrication en série d’un véhicule destiné au grand public.
L’utilisation d’une couche ajoutée en acier inoxydable est possible, tout en étant moins avantageuse que l’utilisation des autres matériaux qu’on a cités, si on ne considère que l’efficacité du freinage. Cependant, l’acier inoxydable présente l’avantage d’être moins coûteux que les autres matériaux cités, de ne nécessiter pour son dépôt que des poudres qui sont déjà soit largement commercialisées, soit qui pourraient être, dans l’avenir, développées plus spécialement pour cette application mais qui ne poseraient pas de problèmes de fabrication particuliers, et d’assurer une excellente adhérence sur le support, lorsque celui-ci est en alliage ferreux, a fortiori s’il est lui-même en acier inoxydable, en particulier de la même nuance que celle du revêtement. Son dépôt par fabrication additive, dans le cadre de l’invention, n’est donc pas à écarter.
On envisage que l’invention puisse s’appliquer avec une fonte, ou un acier au carbone, ou un alliage ferreux en général, différent d’un acier inoxydable, ou un alliage d’aluminium, comme matériau de base du disque. Mais il est clair que, dans ces cas, on ne résout tout à fait que certains des problèmes qui se posent aux constructeurs et utilisateurs du disque. On peut ainsi obtenir une très bonne efficacité de freinage pour un coût de fabrication et d’utilisation demeurant très raisonnable compte tenu du faible prix de la fonte et de l’acier au carbone, comparativement à l’acier inoxydable. En outre, rémission de particules fines résultant de la pression exercée par les garnitures des étriers sur la fonte ou l’acier est supprimée, puisque dans le cas de l’invention, les garnitures agissent sur la couche ajoutée par fabrication additive : dans la zone revêtue l’alliage ferreux de base est protégé à la fois contre les frottements et contre la corrosion.
L'avantage de l’acier inoxydable sur les autres alliages ferreux courants, pour constituer préférentiellement le matériau de base du disque selon l’invention, est qu’il permet aussi de réduire très fortement l’usure par corrosion et l’oxydation du matériau de base, dans les zones non revêtues par la couche déposée par fabrication additive. La durée de vie du matériau de base du disque peut ainsi être très longue, optimalement au moins égale à celle du véhicule qu’il équipe.
L’utilisation d’aluminium pour constituer le matériau de base du disque pourrait aussi être acceptable, dans certains cas où ses inconvénients liés aux fortes dilatations et déformations à chaud qu’il présente ne seraient pas rédhibitoires.
Cela dit, on peut aussi, pour au moins réduire l’usure par corrosion et oxydation du matériau de base dans les zones non revêtues par fabrication additive, prendre comme matériau de base un alliage ferreux (fonte, acier au carbone ou autre) différent d’un acier inoxydable, et faire subir un traitement superficiel anti-corrosion aux parties du matériau de base du disque non revêtues par la couche ajoutée. Un revêtement par une peinture ou une laque, ou une opération plus complexe telle qu’une galvanisation, une chromatation, une phosphatation, peuvent, de façon non limitative, être envisagés. On peut envisager aussi de déposer un revêtement anti-corrosion, là où il serait utile, également par fabrication additive, si la nature du revêtement choisi s’y prête et si cela s’avère économiquement compétitif par rapport à un autre procédé de dépôt du même matériau de revêtement.
En même temps, un autre avantage de l’invention est que lorsque la couche non (ou faiblement) oxydable et non (ou faiblement) corrodable ajoutée par fabrication additive commence à présenter une usure que l’on considère excessive, il est possible de régénérer le disque en lui faisant retrouver son état initial. Cela est réalisé de façon simple et rapide en enlevant intégralement ou partiellement tout ou partie de ce qui reste de la couche ajoutée par fabrication additive, au moyen d’un usinage ou de tout autre procédé équivalent, puis en déposant une nouvelle couche ajoutée sur le matériau de base, ou sur ce qui reste de la couche ajoutée d’origine après l’usinage, à nouveau par fabrication additive, de façon à faire retrouver au disque sa configuration et ses dimensions à l’état neuf. Une rectification de la surface de ce nouveau dépôt peut être utile pour lui procurer la planéité nécessaire.
Ainsi, lorsque la partie du disque sollicitée lors des freinages est usée, il n’est pas nécessaire de rebuter l’ensemble du disque, si le matériau de base en alliage ferreux ou en alliage d’aluminium qui le constitue est demeuré dans un état d’utilisation normale. En conséquence, surtout si ce matériau de base est un acier inoxydable ou de l’aluminium, dont les parties non sollicitées par le freinage ne seront pas ou peu, elles non plus, sujettes à la corrosion (ce qui pourrait ne pas toujours être tout à fait le cas pour les fontes et autres alliages ferreux non inoxydables, s’ils n’ont pas subi de traitement anti-corrosion dans les zones où il n’y a pas de couche non (ou faiblement) oxydable et non (ou faiblement) corrodable ajoutée par fabrication additive), on peut concevoir des disques dont la durée de vie pourrait être considérable, optimalement au moins égale à celle du véhicule qu’ils équipent.
Cette régénération du disque peut être faite très rapidement, notamment par un mécanicien ou un garagiste, qui n’aurait besoin de disposer que d’un poste d’usinage ou équivalent pour enlever partiellement ou totalement le restant de la couche ajoutée usée, d’un outil de fabrication additive (imprimante 3D) qui peut être simple à utiliser, d’une réserve de poudre du ou des matériaux à ajouter et d’un outil permettant de rectifier la surface de la couche déposée pour lui conférer l’épaisseur, la planéité et l’état de surface désirés. Cet outil peut, comme cela existe déjà, être installé sur l’imprimante 3D elle- même. C’est, par exemple, le cas sur la machine DMG Mori LaserTec 65 3D.
Si la zone d’usure est bien délimitée et si l’usure n’est pas trop irrégulière, on pourrait même envisager de se passer de l’opération d’usinage et de réaliser l’opération de fabrication additive uniquement sur les parties usées du revêtement, si le dispositif de fabrication additive comporte des moyens permettant de détecter précisément quelles zones auraient besoin d’être régénérées, et sur quelle épaisseur. Les éventuelles inégalités de l’épaisseur du dépôt régénéré peuvent être éliminées lors de la rectification.
Cette régénération serait donc susceptible d’être réalisée lors d’une opération habituelle de révision du véhicule, sans devoir allonger celle-ci de façon excessive.
Une possibilité serait aussi que le garagiste monte un disque neuf ou préalablement régénéré sur le véhicule au cours de la révision, et réalise ultérieurement, en temps masqué, la régénération du disque usagé, de façon à pouvoir monter le disque régénéré sur un autre véhicule qu’il aura à réviser ultérieurement. La révision du véhicule ne serait alors pas plus longue qu’une révision classique dans laquelle les disques de freins auraient besoin d’être remplacés.
La conception générale du disque de frein selon l’invention n’a pas besoin d’être fortement modifiée par rapport à celle d’un disque de l’art antérieur, en particulier pour la façon dont sont ménagés les canaux de ventilation si le disque est un disque ventilé. L’homme du métier sera à même de déterminer facilement ces modifications, en fonction des emplacements des zones d’usure habituelles du disque et de l’épaisseur de matériau à déposer par fabrication additive qu’il devra respecter.
Une modification qu’il peut être nécessaire d’apporter à un disque d’un type préexistant est, notamment, de diminuer l’épaisseur du matériau de base du disque, au moins là où le matériau à ajouter par fabrication additive sera déposé. Dans ce dernier cas, on forme ainsi un évidement, typiquement placé sur la périphérie ou au voisinage de la périphérie du matériau de base du disque, en tout cas placé de manière à inclure la zone destinée à venir au contact d’une garniture lors du freinage, et cet évidement est rempli (partiellement ou totalement) par le matériau ajouté par fabrication additive. Une fois ce matériau déposé, le disque pris dans son ensemble retrouve partout son épaisseur et sa forme extérieure nominales. De cette façon, il est parfaitement possible de monter des disques selon l’invention sur un modèle de véhicule déjà commercialisé qui faisait usage de disques selon l’art antérieur, puisque les configurations globales du restant du dispositif de freinage, notamment des étriers et de leurs garnitures, et de son environnement pourraient rester en tous points identiques aux configurations d’origine. Tout au plus, on pourrait être amené à modifier les réglages du système de commande du freinage, dans le cas où le coefficient de frottement du matériau du disque venant au contact des garnitures des étriers serait différent de celui du matériau précédemment utilisé.
Bien entendu, la couche de matériau déposée par fabrication additive peut simplement venir s’ajouter sur la surface plane du matériau de base du disque, augmentant localement l’épaisseur nominale du disque, ce dont il faut tenir compte lors de la fabrication et du réglage des étriers et de leurs garnitures. La solution consistant à ménager un évidement sur le disque et à y placer le matériau déposé par fabrication additive est avantageuse surtout lorsque les deux matériaux en jeu sont franchement différents, et que des problèmes d’adhésion insuffisante de l’un sur l’autre et de maintien de la cohésion de l’ensemble pourraient se poser, car ainsi on augmente la surface de contact entre les deux matériaux, et on rend plus difficile un éventuel arrachage en bloc du matériau déposé.
Egalement, le fait de remplacer une partie du disque en fonte ou en acier inoxydable par un matériau de plus faible densité comme une céramique technique, du carbone... permet, si par ailleurs on ne modifie pas le reste de la configuration et les dimensions extérieures du disque, de diminuer quelque peu le poids du disque.
A titre d’exemple, on peut prévoir, pour un disque en acier inoxydable de 12 mm d’épaisseur minimale, l’ajout par fabrication additive d’une couche de 7 mm de matériau à fort coefficient de frottement tel qu’un matériau à gradient, constitué en partie d’une céramique technique ou de carbone dans les zones destinées à être enserrées par les garnitures de l’étrier du dispositif de freinage, et dont l’épaisseur de la partie en acier inoxydable serait, en conséquence, diminuée de 7 mm dans les zones de dépôt du matériau à fort coefficient de frottement. On se donne ainsi une marge confortable par rapport aux 2 à 4 mm d’usure qui, habituellement, sont considérés comme devant déclencher le remplacement des disques de frein classiques. Ici, au lieu de remplacer le disque lorsque ces 2 à 4 mm sont atteints, on régénère sa couche supplémentaire par usinage puis fabrication additive, comme expliqué précédemment, de façon à faire retrouver au disque selon l’invention ses caractéristiques et dimensions initiales.
L’épaisseur maximale du disque selon l’invention demeure de l’ordre de grandeur de celle des disques conventionnels mono-matériau de forme et de conception comparables que le disque de l’invention peut être censé remplacer. Il peut être suffisant de prévoir une diminution de l’épaisseur du matériau de base d’un modèle de disque déjà existant uniquement dans les zones où le matériau de revêtement est appliqué par fabrication additive. Une possibilité techniquement plus simple est aussi de travailler à partir de tôles de moindre épaisseur sur lesquelles serait réalisée l’opération de dépôt par fabrication additive. Il est ainsi possible d’économiser les coûts d’usinage associés.
Les divers procédés de fabrication additive connus peuvent être utilisés, avec des adaptations éventuelles évidentes pour l’homme du métier. On peut citer notamment, de façon non exhaustive :
- la fabrication additive par dépôt de fil tel qu’un fil de soudure (ou fabrication additive arc-fil, en anglais « Wire - Arc Additive Manufacturing », WAAM) ;
- la fabrication additive par projection de poudre dans un faisceau laser (en anglais « Directed Energy Déposition », DED), la poudre fondue dans le laser venant se déposer et se solidifier d’abord sur le support, puis sur la couche de poudre fondue et solidifiée déjà déposée.
Des expériences de routine permettent à l’homme du métier d’ajuster les conditions opératoires de l’opération de fabrication additive pour que, compte tenu notamment des natures précises du matériau de support et du matériau ou des matériaux d’addition, l’adhérence du deuxième sur le premier soit convenable, de même que les déformations thermiques pouvant être induites par l’apport d’énergie.
On peut, par exemple, utiliser comme matériau de base du disque un acier inoxydable de type AISI 304, et comme matériau d’addition un acier inoxydable initialement sous forme de poudre, de type AISI 304 ou AISI 316L. Utiliser un alliage ferreux pour les deux parties du disque a pour avantage de garantir assurément une excellente adhésion de la couche de matériau d’addition sur le matériau de base, qui pourrait être meilleure que si ces deux matériaux étaient de natures très différentes et qu’aucune précaution particulière non évidente n’était prise pour assurer cette adhésion.
Un mode avantageux de mise en oeuvre de l’invention consiste, lors de la fabrication additive, à imposer un gradient de composition à la couche déposée, si le procédé et l’installation de fabrication additive choisis le permettent. Il faut pour ce faire disposer d’une machine ayant au moins deux têtes de projection de poudres, ce qui est assez courant dans l’état de la technique, chaque tête projetant un matériau différent dont la proportion, dans l’ensemble du revêtement déposé à un instant donné, peut être réglée à volonté en jouant sur les débits respectifs des matériaux. La machine DMG Mori LaserTec 65 3D citée précédemment peut être ainsi équipée, de même que la BeAM Magic 800.
Au tout début du processus, on dépose un matériau qui a très majoritairement, voire totalement, une composition chimique identique ou similaire à celle du matériau de base du disque (autrement dit, est constitué par une fonte, un acier au carbone, un alliage ferreux quelconque ou, de préférence, un acier inoxydable ; du fer sans éléments d’alliage en quantités significatives serait aussi envisageable, comme parfois un alliage d’aluminium), de façon à assurer un excellent ancrage mécanique de la couche déposée sur le matériau de base puisque cela revient à réaliser un soudage fort entre les matériaux considérés. Puis, au fur et à mesure de l’opération, on augmente progressivement, de façon continue ou par paliers, la proportion du matériau censé être le matériau principal du revêtement à déposer, jusqu’à atteindre, typiquement, une proportion de 100% de ce matériau avant la fin de l’opération de fabrication additive, proportion que l’on maintient, de préférence, au moins sur l’épaisseur de la couche qui s’usera lors des freinages jusqu’à ce que la régénération du disque soit considérée comme nécessaire. L’article « Additive Manufacturing of Multi-Material Sructures », Materials Science and Engineering R 129 (2018) 1 -16 de A. Bandyopadhyay et B. Heer décrit une telle façon de procéder.
Par rapport à un cas où on obtiendrait la couche de matériau ajouté (acier inoxydable, carbone, céramique technique telle que SiC, VC, TiC, WC, TiB2, Al203, des nitrures tels que BN, CrN, TiN, SiN, AIN, ou autre), non pas par fabrication additive mais simplement en fabriquant avec ledit matériau une pièce de dimensions adéquates et en la fixant sur le disque par une technique classique : vissage, brasage, soudage par ultrasons, collage ou autre, déposer ce matériau par un procédé de fabrication additive, qui a aujourd’hui atteint une maturité suffisante pour être utilisé industriellement dans le cadre de l’invention, présente de multiples avantages.
La jonction mécanique entre le substrat en alliage ferreux ou en alliage d’aluminium et le revêtement est de très bonne qualité, en particulier si le revêtement et le substrat comportent tous deux une importante proportion de fer, soit dans la totalité de leurs volumes (par exemple, un substrat et un revêtement en acier inoxydable), soit seulement ou principalement au voisinage de leur interface si on utilise le principe d’un revêtement à gradient de composition comme on l’a exposé. De plus, la réalisation d’un tel gradient de composition n’est pratiquement réalisable industriellement que par fabrication additive.
En règle générale, après le dépôt du revêtement par fabrication additive, il est au moins très conseillé de réaliser une opération soustractive de rectification de la surface externe du revêtement, pour que le disque ait, sur l’ensemble de sa surface externe, la planéité et l’état de surface requis. Or, on connaît aujourd’hui des machines de fabrication additive hybrides qui sont aussi capables de réaliser ladite rectification. L’ensemble de la phase finale de réalisation du disque, qui suit la fabrication du support ou l’enlèvement partiel ou total par usinage de la couche initiale déposée par fabrication additive, peut donc être réalisé sur un seul poste de travail, et de façon complètement automatisée. On peut utiliser la fabrication additive d’une façon plus complexe que pour la réalisation d’un dépôt uniforme éventuellement rectifié. En particulier, les solutions suivantes peuvent être envisagées.
On peut créer, lors de la fabrication additive elle-même, un motif en forme de grille, ou autre, sur la surface du dépôt, dans le but d’augmenter sa surface de contact développée : cela peut augmenter le frottement avec la garniture si la surface de celle-ci peut se déformer pour épouser plus ou moins les motifs du dépôt, et, aussi, cela augmente la surface de contact avec l’air ambiant, ce qui permet d’améliorer le refroidissement du disque.
Une autre possibilité serait de créer tout d’abord un dépôt d’une matière A (ou d’un mélange A de différentes matières, notamment si on veut former une couche à gradient de composition) d’épaisseur uniforme par fabrication additive, puis d’usiner localement la surface de ce dépôt pour y créer un motif présentant des creux, puis de remplir ces creux en y ajoutant, de préférence également par fabrication additive, un matériau B, et enfin, si nécessaire, de rectifier l’ensemble du revêtement de la surface du disque. Le matériau B peut être choisi pour ses propriétés en frottement, ou pour toute autre propriété physique qu’il pourrait être intéressant de combiner avec celles du matériau A (propriétés thermiques, par exemple). De cette façon, on obtient, en surface du disque, un revêtement hybride qui peut permettre de combiner, dans une certaine mesure, les avantages respectifs des matériaux A et B.
On peut compléter la fabrication et/ou la régénération du disque selon l’invention par un traitement thermique de l’ensemble du disque, ayant pour but d’assurer une homogénéisation des propriétés respectives des différentes zones du disque, si cette homogénéisation n’a pas été atteinte lors du dépôt dans la zone de fabrication additive, ou si la fabrication additive a introduit des modifications microstructurelles locales dans le matériau de base du disque.
Par rapport, notamment, au cas où on assemblerait par brasage, ultrasons ou un autre type de fixation un disque métallique de base et un disque (ou une portion de disque) de céramique technique ou d’un autre matériau déjà préalablement formé, la fabrication additive de la portion de disque concernée présente plusieurs avantages.
C’est une méthode fiable, très automatisable donc utilisable par un personnel moins qualifié, apte à être utilisée de façon fiable si on veut ne recouvrir qu’une partie du disque avec le matériau à fort frottement pour réaliser une économie de matière. Elle est moins coûteuse en ce que le matériau ajouté est utilisé initialement sous forme de simple poudre, alors que dans le cas d’une pièce rapportée sur le disque, il faut la mettre en forme avec précision, et au cours d’une étape qui est déconnectée de l’étape de mise en place du revêtement. De plus, dans l’invention, on peut réaliser la rectification lors de la même opération que le dépôt si la machine est équipée à cet effet.
Un autre avantage du procédé selon l’invention et du disque de frein qui en résulte est que la nature du matériau déposé par fabrication additive peut être modifiée pendant la durée de vie du disque de base, par rapport à la nature du matériau initial déposé lors de la fabrication ou de la réfection précédente du disque. Les performances du disque peuvent donc être améliorées par rapport à ses performances initiales, par exemple si un nouveau matériau plus satisfaisant que le matériau initial a été développé depuis la fabrication du disque ou si l’utilisateur du véhicule, et donc le type d’utilisation du véhicule au quotidien, a changé, ou si la législation en vigueur a évolué de sorte qu’un matériau qui aurait été autorisé au moment de la fabrication initiale du disque était devenu indésirable au moment de la régénération du disque. Une telle modification pourrait également permettre à un constructeur automobile d’utiliser la même base de disque de frein pour des véhicules de gammes différentes, ayant donc des besoins variables en terme de performances de freinage, en fonction de la masse du véhicule, de sa motorisation, etc.... La nature (matériau simple ou multiple) et la stratégie de dépôt (notamment l’épaisseur) permettent d’adapter précisément les performances du disque aux besoins du véhicule concerné. La plus grande partie de la fabrication du disque peut ainsi être standardisée, avec les réductions de coût associées.
Des listes non exhaustives de matériaux que l’on peut utiliser dans l’invention sont :
- pour le matériau de base du disque : une fonte, un acier au carbone ou, de préférence, un acier inoxydable, comme un acier inoxydable martensitique de type AISI 420, désigné aussi par les références européennes 1 .4021 ou 1.4028, ou l’acier inoxydable martensitique décrit dans la demande PCT/IB2017/053975 au nom du Demandeur, et dont la composition est : 0,005% < C < 0,3% ; 0,2% £ Mn £ 2,0% ; traces £ Si < 1 ,0% ; traces < S < 0,01% ; traces £ P £ 0,04% ; 10,5% £ Cr £ 17,0% ; de préférence 10,5% £ Cr £ 14,0% ; traces £ Ni £ 4,0% ; traces £ Mo < 2,0% ; Mo + 2 x W £ 2,0% ; traces < Cu < 3% ; traces £ Ti £ 0,5% ; traces £ Al £ 0,2% ; traces < O < 0,04% ; 0,05% £ Nb £ 1 ,0% ; 0,05% £ Nb + Ta £ 1 ,0% ; 0,25% £ (Nb + Ta )/(C + N) £ 8 ; traces £ V £ 0,3% ; traces < Co < 0,5% ; traces £ Cu + Ni + Co < 5,0% ; traces < Sn £ 0,05% ; traces £ B £ 0,1 % ; traces £ Zr £ 0,5% ; Ti + V + Zr £ 0,5% ; traces £ H £ 5 ppm ; traces £ N £ 0,2% ; (Mn + Ni) ³ (Cr - 10,3 - 80 x [(C + N)2]) ; traces < Ca < 0,002% ; traces < terres rares et/ou Y < 0,06% ; le reste étant du fer et des impuretés résultant de l’élaboration, ou un acier inoxydable duplex (austéno-ferritique), ou un acier inoxydable austénitique tel que les AISI 304 ou AISI 316L, ou, de façon générale, tout alliage ferreux ; si le matériau de base est sensible à la corrosion et si on veut augmenter les chances qu’il demeure utilisable pendant toute la durée de vie du véhicule, il est conseillé de réaliser un traitement superficiel anti-corrosion des parties qui ne seront pas revêtues par fabrication additive ;
- pour le ou les matériau(x) déposé(s) par fabrication additive : un acier inoxydable, choisi, par exemple, parmi les nuances citées plus haut comme pouvant constituer le matériau principal du disque, du carbone utilisé à l’état pur (graphite, graphène) ou comme élément de renforcement d’un autre matériau métallique, céramique ou polymérique, les céramiques techniques telles que SiC, VC, TiC, WC, TiB2, Al203, BN, CrN, TiN, SiN, AIN.
Comme on l’a dit, l’invention est applicable à tous les types de disques de freins connus : disques pleins, disques perforés, disques ventilés formés de deux plaques entre lesquelles on définit des canaux de refroidissement, ou toute autre conception de frein à disque que l’on peut rencontrer dans les domaines automobile, deux-roues, ferroviaire ou aéronautique.
Le revêtement déposé par fabrication additive peut être déposé sur seulement l’une des faces du disque (typiquement celle qui vient la première au contact de la garniture de l’étrier lors du freinage et qui est donc toujours sollicitée à cette occasion) ou, de préférence, sur ses deux faces qui sont chacune destinées à venir au contact d’une garniture de l’étrier, au moins lorsque le freinage est suffisamment violent pour que les deux garnitures de l’étrier soient chacune amenées à exercer une forte pression sur une face du disque.
L’invention a également pour objet un dispositif de freinage de véhicule comportant notamment au moins un disque du type qui a été décrit et au moins un étrier et ses garnitures, coopérant avec le disque lors du freinage, ainsi qu’un véhicule routier, ferroviaire ou aérien, équipé d’au moins un tel dispositif de freinage.

Claims

REVENDICATIONS
1. Disque de frein pour véhicule, comportant au moins une zone destinée à venir au contact d’une garniture d’un étrier de frein, caractérisé en ce qu’il est constitué par :
- un matériau de base choisi parmi une fonte, un acier au carbone, un acier inoxydable ou un autre alliage ferreux, un alliage d’aluminium ;
- un matériau de revêtement comportant au moins un composé qui a été déposé par un procédé de fabrication additive sur ledit matériau de base dans l’au moins une zone destinée à venir au contact d’une garniture d’un étrier de frein.
2. Disque de frein selon la revendication 1 , caractérisé en ce que ledit matériau déposé par un procédé de fabrication additive est choisi parmi un acier inoxydable, du carbone utilisé à l’état pur ou comme élément de renforcement d’un autre matériau métallique, céramique ou polymérique, les céramiques techniques.
3. Disque de frein selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit matériau déposé par fabrication additive est une céramique technique choisie parmi SiC, VC, TiC, WC, TiB2, BN, CrN, TiN, SiN, AIN, Al203.
4. Disque de frein selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit matériau de revêtement présente un gradient de composition, la proportion du matériau à haut coefficient de frottement augmentant par paliers ou de façon continue selon l’épaisseur de la couche de matériau de revêtement, le restant de ladite couche et ledit matériau de base étant chacun constitués par du fer, ou une fonte, ou un acier au carbone, ou un acier inoxydable, ou un alliage ferreux.
5. Disque de frein selon l’une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit matériau de base a subi un traitement superficiel anti-corrosion dans les zones non revêtues par ledit matériau de revêtement.
6. Disque de frein selon l’une des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que ladite zone destinée à venir au contact d’une garniture d’un étrier de frein est incluse dans un évidement ménagé dans ledit premier matériau, ledit évidement renfermant ledit matériau de revêtement.
7. Procédé de fabrication d’un disque de frein pour véhicule, comportant au moins une zone destinée à venir au contact d’une garniture d’un étrier de frein, caractérisé en ce que : - on prépare un disque réalisé en un matériau de base choisi parmi une fonte, un acier au carbone, un acier inoxydable ou un autre type d’alliage ferreux, un alliage d’aluminium ;
- et on recouvre par un procédé de fabrication additive ladite au moins une zone destinée à venir au contact d’un étrier de frein par au moins une couche de revêtement comportant au moins un matériau choisi parmi un acier inoxydable, le carbone utilisé à l’état pur ou comme élément de renforcement d’un autre matériau métallique, céramique ou polymérique, les céramiques techniques.
8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit procédé de fabrication additive est choisi parmi
- la fabrication additive par dépôt de fil ; et
- la fabrication additive par projection de poudre dans un faisceau laser, la poudre fondue dans le laser venant se déposer et se solidifier sur le matériau de base, puis sur la poudre fondue déjà déposée.
9. Procédé selon l’une des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce qu’on confère à la couche de revêtement déposée par fabrication additive un gradient de composition, la proportion du matériau augmentant par paliers ou de façon continue au fur et à mesure de l’augmentation de l’épaisseur de la couche de matériau de revêtement déposée sur le matériau de base du disque, le restant de ladite couche étant constitué par du fer, une fonte, un acier au carbone, un acier inoxydable ou un autre alliage ferreux.
10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que la proportion du matériau choisi parmi un acier inoxydable, le carbone utilisé à l’état pur ou comme élément de renforcement d’un autre matériau métallique, céramique ou polymérique, les céramiques techniques dans la couche de revêtement déposée par fabrication additive atteint 100% avant l’achèvement de l’opération de fabrication additive.
11. Procédé selon l’une des revendications 7 à 10, caractérisé en ce qu’on exécute un traitement superficiel anti-corrosion du disque dans les zones dudit matériau de base non revêtues par ledit matériau de revêtement.
12. Procédé selon l’une des revendications 7 à 1 1 , caractérisé en ce que, après une opération de dépôt d’une couche d’au moins un premier composant (A) par fabrication additive, on réalise un usinage local de la surface de ladite couche pour y ménager des creux, et on dépose ensuite un deuxième composant (B) à l’intérieur desdits creux.
13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que ledit deuxième composant (B) est déposé dans lesdits creux par fabrication additive.
14. Procédé selon l’une des revendications 7 à 13, caractérisé en ce que, avant de déposer la couche de matériau de revêtement, on réalise un traitement de surface de la zone du disque où aura lieu ledit dépôt de la couche de revêtement, ledit traitement de surface ayant pour fonction d’augmenter l’adhérence de ladite couche de revêtement sur le disque.
15. Procédé selon l’une des revendications 7 à 14, caractérisé en ce qu’après le dépôt de la couche de revêtement, on procède à un traitement thermique d’homogénéisation des propriétés respectives des différentes zones du disque.
16. Dispositif de freinage pour un véhicule, comportant au moins un disque et au moins un étrier et ses garnitures, caractérisé en ce que le disque est du type selon l’une des revendications 1 à 6.
17. Véhicule routier, ferroviaire ou aérien équipé d’un ou plusieurs dispositifs de freinage, caractérisé en ce qu’il comporte au moins un dispositif de freinage selon la revendication 16.
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