Brevet FR2950826A1 — publié le 20110408

La présente invention concerne un procédé d'élaboration de pièces fonctionnelles comprenant de l'aluminium. Elle a également pour objet les pièces obtenues à l'aide du procédé. Il est connu, pour obtenir des pièces fonctionnelles rigides présentant un aspect métallique d'aluminium moulé, de soumettre un mélange de poudres d'aluminium cristallin et d'une matrice de polyamide à un procédé de frittage sélectif par laser. De telles pièces sont par exemples commercialisées sous la dénomination DuraForm® AF par la société 3D SYSTEMS ou encore sous la dénomination ALUMIDE® par la société EOS. Lorsque le mélange est fritté sous l'action du laser, les pièces ont l'inconvénient de présenter un taux de porosité élevé, et donc de ne pas être étanches sous pression. Il est ainsi nécessaire, si l'on veut obtenir une étanchéité satisfaisante, de recouvrir le matériau d'une couche de revêtement étanche, typiquement d'une couche de résine, ce qui rend le procédé de fabrication des pièces plus long et plus complexe. La présente invention a pour objectif de remédier à ces inconvénients. L'invention propose un procédé simplifié, permettant d'obtenir rapidement des pièces fonctionnelles de forme complexe présentant un aspect métallique et qui possèdent une très bonne étanchéité. La présente invention a ainsi pour objet un procédé d'élaboration d'une pièce comprenant de l'aluminium. Le procédé selon l'invention comprend une étape de frittage sélectif par laser d'un mélange comprenant une poudre de polymère et une poudre d'un alliage d'aluminium quasi-cristallin, le poids de l'alliage n'excédant pas 80% du poids total du mélange. Le poids de l'alliage est inférieur ou égal à 80 % du poids total du mélange. La quantité de poudre d'alliage est ainsi choisie de manière à ce que la fraction volumique de l'alliage, après l'étape de frittage, n'excède pas 50 % du volume total de la pièce. Le frittage sélectif par laser, également appelé Selective Laser Sintering (SLS) en langue anglaise, est un procédé permettant la mise en forme d'une pièce par apports successifs de matière sous forme de poudres. B5040FR Ce procédé utilise un laser pour transformer un matériau sous forme de poudres, comprenant un mélange de poudres métalliques et de polymère, en un objet solide par frittage sélectif sans pression extérieure. Il est connu que le frittage sélectif par laser permet de réaliser des pièces sans 5 contrainte de forme, avec une grande précision (±0.2 mm), mais avec un taux de porosité important. La demanderesse a découvert que, de manière surprenante, lorsque le procédé est mis en oeuvre à partir d'un mélange de poudres comprenant une teneur limitée en alliage d'aluminium quasi-cristallin, la pièce obtenue présentait un très faible taux de 10 porosité, et donc une étanchéité plus élevée que lorsque le procédé est mis en oeuvre à partir de poudre d'aluminium cristallin. Elle a également constaté qu'en utilisant un alliage d'aluminium quasi-cristallin la pièce obtenue présentait des propriétés mécaniques, notamment d'usure, de frottement et de dureté, améliorées. Le mélange de poudres peut être constitué de poudre de polymère et de poudre 15 d'alliage d'aluminium quasi-cristallin. La pièce obtenue par le procédé de l'invention est un matériau composite comprenant une matrice de polymère et un alliage mécanique complexe éventuellement multi-phasé. L'alliage d'aluminium quasi-cristallin peut être un alliage métallique complexe 20 comprenant un pourcentage atomique d'aluminium supérieur à 50%. Le procédé de l'invention est mis en oeuvre à partir d'une poudre d'un alliage d'aluminium quasi-cristallin. Dans le présent texte, "alliage quasi-cristallin" désigne un alliage qui comprend une ou plusieurs phases quasi-cristallines qui sont soit des phases quasi-cristallines au sens strict, soit des phases approximantes. Les phases 25 quasi-cristallines au sens strict sont des phases présentant des symétries de rotation normalement incompatibles avec la symétrie de translation, c'est-à-dire des symétries d'axe de rotation d'ordre 5, 8, 10 ou 12, ces symétries étant révélées par les techniques de diffraction. A titre d'exemple, on peut citer la phase icosaédrique de groupe ponctuel m 5 et la phase décagonale de groupe ponctuel 10/mmm. 30 Les phases approximantes ou composés approximants sont des cristaux vrais dans la mesure où leur structure cristallographique reste compatible avec la symétrie de translation, mais qui présentent, dans le cliché de diffraction d'électrons, des figures de diffraction dont la symétrie est proche d'une symétrie d'ordre 5, 8, 10 ou 12. Ce sont des phases caractérisées par une maille élémentaire contenant plusieurs B5040FR dizaines, voir plusieurs centaines d'atomes, et dont l'ordre local présente des arrangements de symétrie presque icosaédrique ou décagonale similaire aux phases quasi-cristallines parentes. Parmi ces phases, on peut citer à titre d'exemple la phase orthorhombique 01, caractéristique d'un alliage ayant la composition atomique A165Cu20Fe10Cr5, dont les paramètres de maille en nm sont : a0(1) = 2,366, b0(1) = 1,267, c0(1) = 3,252. Cette phase orthorhombique 01 est dite approximante de la phase décagonale. La nature des deux phases peut être identifiée par microscopie électronique en transmission. On peut également citer la phase rhomboédrique de paramètres aR = 3,208 nm, 10 a = 36°, présente dans les alliages de composition atomique voisine de A164Cu24Fe12. Cette phase est une phase approximante de la phase icosaédrique. On peut aussi citer des phases 02 et 03 orthorhombiques de paramètres respectifs en nm a0(2) = 3,83 ; b0(2) = 0,41 ; c0(2) = 5,26 ainsi que a0(3) = 3,25 ; b0(3) = 0,41 ; c0(3) = 9,8, présentes dans un alliage de composition atomique 15 A163Cu17,5Co17,5Si2 ou encore la phase orthorhombique 04 de paramètres en nm a0(4) = 1,46 ; b0(4) = 1,23 ; c0(4) = 1,24, qui se forme dans l'alliage dont la composition atomique est A163Cu8Fe12Cr17• On peut encore citer une phase C, de structure cubique, très souvent observée en coexistence avec les phases approximantes ou quasi-cristallines vraies. Cette phase, 20 qui se forme dans certains alliages Al-Cu-Fe et Al-Cu-Fe-Cr, consiste en une surstructure, par effet d'ordre chimique des éléments d'alliage par rapport aux sites d'aluminium, d'une phase de structure type Cs-Cl et de paramètre de réseau al = 0,297 nm. Un diagramme de diffraction de cette phase cubique a été publié pour un échantillon de phase cubique pure et de composition atomique A165Cu20Fe15 en 25 nombre d'atomes. On peut aussi citer une phase H de structure hexagonale qui dérive directement de la phase C comme le démontrent les relations d'épitaxie observées par microscopie électronique entre cristaux des phases C et H et les relations simples qui relient les paramètres des réseaux cristallins, à savoir aH = 3Jai/,/j (à 4,5 % près) et cH = 30 3-N/jai/2 (à 2,5 % près). Cette phase est isotype d'une phase hexagonale, notée (DAlMn, découverte dans des alliages Al-Mn contenant 40% en poids de Mn. La phase cubique, ses surstructures et les phases qui en dérivent, constituent une classe de phases approximantes des phases quasi-cristallines de compositions voisines. B5040FR Les alliages quasi-cristallins du système Al-Cu-Fe et du système Al-Fe-Co-Cr sont particulièrement appropriés pour la mise en oeuvre du procédé de la présente invention. On peut citer en particulier les alliages qui ont l'une des compositions atomiques suivantes : A162Cu25,5Fe12,5, A159Cu25,5Fe12,5B3, A171Cu9,7Fe8,7Cr10,6, et A171,3Fe8,1Co12,8Cr7,8. Ces alliages sont commercialisés par la société Saint-Gobain. En particulier, l'alliage A159Cu25,5Fe12,4B3 est commercialisé sous la dénomination Cristome F1, l'alliage A171Cu9,7Fe8,7Cr10,6 est commercialisé sous la dénomination Cristome Al, et l'alliage A171,3Fe8,1Co12,8Cr7,8 est commercialisé sous la dénomination Cristome BT 1. Ces alliages complexes ont pour avantage de posséder des propriétés tribologiques (frottement et usure), de surface (faible énergie de surface), mécaniques (dureté, limite d'élasticité et module d'Young), de conductivité thermique et électriques (résistivité élevée), différentes de celles des alliages d'aluminium cristallins. Le polymère peut être par exemple choisi parmi les polymères organiques thermoplastiques tels que les polyamides (par exemple de type Nylon 6, Nylon 11, Nylon 12), les copolymères d'amide (par exemple le nylon 6-12), les polyacétates, les polyéthylènes, ainsi que le polyétheréthercétone, désigné par le sigle PEEK (PolyEtherEtherKetone en langue anglaise). Les polymères préférés sont les polyamides et le polyétheréthercétone. Le mélange de poudre d'alliage d'aluminium quasi-cristallin et de poudre de polymère peut contenir de 4 à 80 % en poids d'alliage, plus particulièrement de 30 à 65 %. La fraction volumique de l'alliage pourra facilement être calculée par l'homme du métier à partir de la masse et de la masse volumique des différents constituants du 25 mélange. Dans le mélange de poudres utilisé pour la mise en oeuvre du procédé, les particules d'alliages ont de préférence une granulométrie moyenne comprise entre 1 et 90 µm, plus particulièrement entre 10 et 75 µm, et les particules de polymère ont de préférence une granulométrie moyenne comprise entre 1 et 90 µm, plus 30 particulièrement entre 40 et 70 µm. Le frittage sélectif par laser est de préférence assisté par ordinateur. Dans un mode de réalisation particulier, le mélange de poudres est chauffé jusqu'à une température inférieure de quelques degrés Celsius à la température de fusion du polymère, par exemple jusqu'à une température inférieure de 1 à 10 °C à la B5040FR température de fusion du polymère. L'énergie nécessaire à la fusion est ensuite apportée par le laser. L'invention a également pour objet une pièce comprenant de l'aluminium obtenue par un procédé décrit ci-dessus. Les pièces obtenues peuvent présenter un taux de porosité volumique inférieur à 5 %, et notamment inférieur à 3 %, et plus particulièrement inférieur à 1 %. De manière équivalente, la densité apparente égale au rapport masse/volume de la pièce peut être supérieure ou égale à 95 % de la densité théorique de la pièce, et notamment supérieure ou égale à 97 % de la densité théorique de la pièce, et plus particulièrement supérieure ou égale à 99 % de la densité théorique de la pièce. Le procédé de l'invention est particulièrement utile pour l'élaboration par prototypage rapide de pièces légères de densité apparente comprise entre 1 et 3 g/cm3 et sans contrainte de forme. Le frittage sélectif par laser permet une élaboration aisée et non toxique de pièces qui ont la forme complexe souhaitée. L'utilisation d'un alliage d'aluminium quasi-cristallin permet l'élaboration de pièces présentant une étanchéité supérieure à celle des pièces obtenues avec de l'aluminium cristallin. Les pièces obtenues présentent en outre des propriétés mécaniques remarquables, et notamment des propriétés d'usure, de frottement et de dureté qui sont meilleures que celles des pièces obtenues avec de l'aluminium cristallin. Elles sont en outre facilement recyclables. La présente invention sera décrite plus en détail à l'aide des exemples suivants, auxquels elle n'est cependant pas limitée, la description étant faite en référence à la figure 1, qui illustre schématiquement un dispositif permettant de mettre en oeuvre le procédé selon l'invention. Exemple 1 Préparation de la poudre On a préparé une poudre composite comprenant au moins deux natures de poudre différentes (polymère et alliage métallique complexe). Chaque nuance de poudre est pesée avec précision de sorte à obtenir une fraction volumique d'alliage métallique complexe dans la pièce composite finale de 30 %. Les poudres sont de préférence mélangées de façon homogène à l'aide d'un turbulat, ce qui permettra d'obtenir des pièces présentant des propriétés mécaniques et d'étanchéité homogènes. Environ dix à quinze minutes sont nécessaires pour mélanger 20 kg de poudres. B5040FR Fabrication des pièces en matériau composite On a préparé plusieurs pièces composites en soumettant à un frittage sélectif par laser le mélange de poudres constitué par 65 % en poids d'une poudre d'un alliage AlCuFeB ayant une granulométrie comprise entre 10 et 75 µm et 35 % en poids d'une poudre de polyamide qui est une poudre de Nylon 12 ayant une granulométrie moyenne de 60 µm. L'alliage AlCuFeB est un alliage quasi-cristallin de composition atomique nominale A159Cu25,5Fe12,5B3, commercialisé sous la dénomination Cristome F 1 par la société Saint-Gobain. Cet alliage est constitué de la phase de structure complexe (icosaédrique i) isostructurale à la phase i-A162Cu25,5Fe12,5 et d'une phase cubique isostructurale à la phase 13-A150(CuFe)50. Le frittage sélectif par laser peut être mis en oeuvre à l'aide d'un dispositif 1 tel qu'illustré à la figure 1. Le dispositif 1 de frittage sélectif par laser comprend un réservoir 2 d'alimentation de poudre dans lequel est placé le mélange, un rouleau 3 d'apport et de 15 répartition de poudre, ainsi qu'un laser 4. Le laser 4 est par exemple un laser CO2 de puissance 35 W. Le faisceau laser est dirigé via un miroir 5 vers la zone de poudre que l'on souhaite fritter, sous une atmosphère de préférence neutre, par exemple sous atmosphère d'azote. Le procédé utilise une plate-forme de fabrication chauffée à une température 20 proche de la température de fusion du polymère. Le laser trace la forme couche par couche et fournit localement, à chaque strate successive du mélange initial de poudres, l'énergie thermique suffisante pour amener le polymère à une température entraînant sa fusion. Les poudres non frittées assurent naturellement le support des couches suivantes. La plate-forme de travail mobile descend de l'épaisseur d'une couche, le 25 déplacement de la pièce verticale étant assuré par un piston 6. Une nouvelle couche de poudre est ensuite étalée par le rouleau 3 et le cycle recommence pour construire la pièce couche par couche de bas en haut. A la place du rouleau 3, on pourrait également utiliser un autre système mécanique comme par exemple un racleur. Propriétés des pièces obtenues 30 Les pièces obtenues après frittage présentent un retrait homogène de 2 ± 0,2 % selon les axes horizontaux x et y, et de 1,3 ± 0,2 % selon l'axe vertical z. La densité apparente mesurée par le rapport masse/volume de la pièce est toujours supérieure ou égale à 99 % de la densité théorique, ce qui implique un taux de porosité volumique inférieur à 1 %. Les pièces obtenues sont étanches sous une pression minimale de 8 B5040FR bars, de la température ambiante jusqu'à 100 °C. Le gain en volume d'usure apporté par rapport à la matrice de polyamide renforcée par de l'aluminium cristallin est d'environ 70%. Le coefficient de frottement mesuré à l'aide d'un tribomètre de type pion sur disque (charge 10N, vitesse de glissement 16cm1s, diamètre de l'empreinte lcm) montre un gain de l'ordre de 30 %. La dureté Shore D moyenne est de 79±1. Exemple 2 On a reproduit le mode opératoire de l'exemple 1, mais en utilisant un mélange de poudres constitué par 52 % en poids d'une poudre d'alliage d'aluminium cristallin (aluminium de série 1000) et 48 % en poids d'une poudre de polyamide qui est une poudre de Nylon 12. Les pièces obtenues après frittage présentent un retrait homogène de 2 ± 0,2% selon les axes x et y et de 1,3 ± 0,2 % selon l'axe z. La densité mesurée est toujours inférieure ou égale à 80 % de la densité théorique, ce qui implique un taux de porosité volumique supérieur à 20 %. Les pièces ne sont pas étanches sans imprégnation de résine en surface. Les propriétés tribologiques d'abrasion-usure et de frottement sont médiocres. La dureté Shore D moyenne est de 72±2. Exemple 3 On a reproduit le mode opératoire de l'exemple 1, mais chaque nuance de poudre est pesée avec précision de sorte à obtenir une fraction volumique d'alliage métallique complexe dans la pièce composite finale de 15 %. Le mélange de poudres est constitué par 44 % en poids d'une poudre de l'alliage AlCuFeB de l'exemple 1 et 56 % en poids d'une poudre de polyamide qui est une poudre de Nylon 12. Les pièces obtenues après frittage présentent un retrait homogène de 2 ± 0,2 % selon les axes x et y et de 1,3 ± 0,2 % selon les axes z. La densité mesurée est toujours supérieure ou égale à 98 % de la densité théorique, ce qui implique un taux de porosité volumique inférieur à 2 %. Les pièces obtenues sont étanches. Les propriétés tribologiques et de dureté sont améliorées par rapport à celles des pièces de l'exemple 2. Exemple 4 On a reproduit le mode opératoire de l'exemple 1, mais en utilisant un mélange de poudres constitué par 61,5 % en poids d'une poudre d'un alliage AlCuFeCr et 38,5 en poids d'une poudre de polyamide qui est une poudre de Nylon 12. L'alliage B5040FR AlCuFeCr est un alliage métallique complexe de composition atomique nominale A171Cu9Fe10Cr10. Cet alliage est constitué de la phase approximante orthorhombique O1-A165Cu20Fe10Cr5 et d'une phase quadratique isostructurale à la phase w-A170Cu20Fe1o. Les pièces obtenues après frittage présentent un retrait homogène de 2 ± 0,2 % selon les axes x et y et de 1,3 ± 0,2 % selon l'axe z. La densité mesurée est toujours supérieure ou égale à 99 % de la densité théorique, ce qui implique un taux de porosité volumique inférieur à 1%. Les pièces obtenues sont étanches. Les propriétés tribologiques et de dureté sont améliorées par rapport à celles des pièces de l'exemple 2. Exemple 5 On a reproduit le mode opératoire de l'exemple 1, mais en utilisant un mélange de poudres constitué par 40 % en poids d'une poudre de l'alliage AlCuFeCr de l'exemple 4 et 60 % en poids d'une poudre de polyamide qui est une poudre de Nylon 12. Les pièces obtenues après frittage présentent un retrait homogène de 2 ± 0,2 % en x et y et de 1,3 ± 0,2 % en z. La densité mesurée est toujours supérieure ou égale à 97 % de la densité théorique, ce qui implique un taux de porosité volumique inférieur à 3 %. Les pièces obtenues sont étanches. Les propriétés tribologiques et de dureté sont améliorées par rapport à celles des pièces de l'exemple 2. B5040FR REVENDICATIONS1. Procédé d'élaboration d'une pièce comprenant de l'aluminium, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de frittage sélectif par laser d'un mélange comprenant une poudre de polymère et une poudre d'un alliage d'alu- minium quasi-cristallin, le poids de l'alliage n'excédant pas 80 % du poids total du mélange. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'alliage d'aluminium quasi-cristallin est un alliage métallique complexe comprenant un pourcentage atomique d'aluminium supérieur à 50%. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'alliage d'aluminium quasi-cristallin est choisi parmi A162Cu25,5Fe12,5, A159Cu25,5Fe12,5B3, A171Cu9,7Fe8,7Crlo,6 et A171,3Fe8,1Co12,8Cr7,8. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le polymère est un polymère organique thermoplastique choisi parmi les polyamides, les copolymères d'amide, les polyacétates, les polyéthylènes, le polyétheréthercétone. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le mélange de poudre d'alliage quasi-cristallin et de polymère contient de 4 à 80 en poids d'alliage. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les particules d'alliage ont une granulométrie moyenne comprise entre 1 et 90 µm, et les particules de polymère ont une granulométrie moyenne comprise entre 1 et 90 µm. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le frittage sélectif par laser est assisté par ordinateur. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le mélange de poudres est chauffé jusqu'à une température inférieure de 1 à 10 °C à la température de fusion du polymère, puis en ce que l'énergie nécessaire à la fusion est apportée par le laser. 9. Pièce comprenant de l'aluminium, caractérisée en ce qu'elle est obtenue par un procédé selon l'une des revendications 1 à 8. B5040FR 10. Pièce selon la revendication 9, caractérisée en ce que la densité apparente égale au rapport masse/volume de la pièce est supérieure ou égale à 95 % de la densité théorique de la pièce. B5040FR