Brevet FR2907573A1 — publié le 20080425

La présente invention concerne une méthodologie (ci-après désignée : le procédé) pour la prévision, par simulation numérique, des déformations d'objets en céramique lors du frittage. Cette invention s'applique aux secteurs de la céramique suivants : ù Céramiques traditionnelles incluant notamment comme matériaux, les porcelaines, les grès, les faïences, ... ù Céramiques techniques. Le procédé ci-après détaillé permet de prévoir la déformation d'objets en céramique lors du frittage et par là même de retoucher le modèle géométrique du produit cru (modèle de l'objet avant frittage) afin de lui donner une pré déformation a cru de façon à ce qu'après frittage l'objet ait une déformation compatible avec les critères d'acceptabilité géométriques. Cette mise au point du produit cru peut nécessiter plusieurs itérations suivant le schéma décrit ci-dessous, en général trois itérations maximum sont nécessaires. Actuellement, et en particulier dans le domaine des céramiques du secteur des arts de la table et celui du sanitaire, la mise au point du moule pour couler ou injecter le produit en cru se fait par empirisme (par la méthode des essais et des erreurs ). Ce nouveau procédé permet de réduire nettement le coût (une réduction minimale de 35 % est escomptée) et les délais de mise au point de l'outillage avec des gains substantiels sur la productivité globale, sur la qualité de la production et sur la réactivité à développer de nouvelles gammes de produits, ceci pour des objets en céramiques traditionnelles ainsi que pour des objets en céramiques techniques. A ù Mode opératoire du procédé : Formes de l'objet à réaliser Extrapolation des formes de l'objet en cru Itération Prototype Caractérisation fine du matériau céramique essais expérimentaux CODE DE CALCUL Par éléments finis prévision théorique des formes de l'objet fritté non Analyse des formes obtenues Acceptable vis-à-vis des formes du prototype Définition de la forme et réalisation de l'outillage L 2907573 2 B - Contenu du procédé Le procédé s'appuie sur la combinaison de trois éléments fondamentaux qui sont : 1 ù La caractérisation fine du matériau par des essais expérimentaux 5 comprenant : ^ La mesure de la courbe expérimentale du module de Young en fonction de la température T : E(T) ^ Des essais de dilatométrie permettant de déterminer • La masse volumique en fonction de la température : p(T) 10 • Le retrait en fonction de la température : AL = f(T) ^ Des essais de fluage permettant de déterminer les constantes expérimentales de la loi de comportement viscoplastique du matériau, sachant que ces mêmes constantes sont fonction de la température. 2 ù La loi de comportement du matériau permettant de modéliser la déformation 15 viscoplastique due au fluage. dèuage / dt = f(o,T,t) Où: E : est la déformation o: est la contrainte de Von Mises 20 T : est la température t : est le temps pendant le fluage 3 û Le code de calcul par éléments finis sur lequel sont implémentées les données expérimentales et la loi de comportement viscoplastique. C ù Description des étapes du procédé 25 • Caractérisation fine du matériau céramique par des essais expérimentaux • Modélisation numérique de la forme de l'objet à réaliser • Extrapolation des formes de l'objet en cru • Utilisation d'un code de calcul spécifique utilisant les éléments finis pour la prévision théorique de la forme de l'objet fritté 30 • Analyse des formes obtenues en terme d'acceptabilité géométrique, avec une éventuelle itération • Définition de la forme de l'outillage en vue de sa réalisation D - Détails théoriques La déformation totale &test composée linéairement en trois termes : 35 Eot = élastique + Ethermique + fluage 2907573 3 où Gé,astique est la déformation élastique du matériau faisant intervenir le module de Young E(T) Cthermique est la déformation due au retrait du matériau caractérisant le frittage 5 &fluage est la déformation viscoplastique due au fluage du matériau Le fluage est dû au comportement viscoplastique du matériau. Le fluage fait apparaître comme la plasticité des déformations permanentes qui peuvent être endommageantes aux cours du temps et amener à la rupture de la structure. Le fluage apparaît généralement lorsque les chargements sont suffisamment lents ou maintenus 10 suffisamment longtemps au cours du temps à des températures assez élevées pour que la viscosité ait le temps de se manifester. Dans ce cas, une analyse non linéaire en fluage est nécessaire pour déterminer les déformations permanentes au temps t ainsi que l'état de contrainte au même temps. Alors que la déformation croit au cours du temps, la contrainte décroît car le 15 fluage s'accompagne d'un phénomène de relaxation des contraintes. Les caractéristiques mécaniques du fluage sont données par l'allure des courbes représentées sur les figures 1 et 2. Ces lois sont du type : dfluage/dt=f(6,T,t) 20 Où : E est la déformation 6 : est la contrainte de Von Mises T : est la température t : est le temps pendant le fluage 25 Les coefficients expérimentaux de la loi sont fonction de la température Nota : Cette méthode pourra être implémentée sur tout logiciel de calcul par éléments finis. Son efficacité a déjà été testée sur le logiciel IDEAS-NXI 1 de UGS. Revendications 1 ù Procédé de prévision, par simulation numérique, des déformations d'objets en céramique lors du frittage, caractérisé par le fait de pouvoir retoucher le modèle géométrique du produit cru afin de lui donner une pré déformation de façon à ce qu'après frittage la forme de l'objet soit compatible avec les critères d'acceptabilité géométriques. 2 - Procédé, selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il soit applicable dans tous les secteurs des céramiques traditionnelles, incluant notamment comme matériaux, les porcelaines, les grès, les faïences et tous les matériaux assimilés, ainsi que dans tous les secteurs des céramiques techniques. 3 ù Procédé, selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il s'appui sur les trois éléments fondamentaux suivants : •O La caractérisation fine du matériau par des essais expérimentaux • La loi de comportement du matériau permettant de modéliser la déformation viscoplastique due au fluage. • Le code de calcul par éléments finis sur lequel sont implémentées les données expérimentales et la loi de comportement viscoplastique. 4 ù Procédé, selon les revendications 1 et 3, caractérisé par le fait que la caractérisation fine du matériaux se décompose en 3 étapes : La mesure de la courbe expérimentale du module de Young en fonction de la température T : E(T) ^ Les essais de dilatométrie permettant de déterminer • La masse volumique en fonction de la température : p(T) • Le retrait en fonction de la température : AL = f(T) ^ Les essais de fluage permettant de déterminer les constantes expérimentales de la loi de comportement viscoplastique du matériau, sachant que ces mêmes constantes sont fonction de la température. 5 -Procédé, selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : • Caractérisation fine du matériau céramique par des essais expérimentaux • Modélisation numérique de la forme de l'objet à réaliser • Extrapolation des formes de l'objet en cru • Utilisation d'un code de calcul spécifique utilisant les éléments finis pour la prévision théorique de la forme de l'objet fritté • Analyse des formes obtenues en terme d'acceptabilité géométrique, avec une éventuelle itération • Définition de la forme de l'outillage en vue de sa réalisation 25 30 35