Brevet FR3035808A1 — publié le 20161111

DOMAINE DE L'INVENTION L'invention concerne un procédé de fabrication d'une pièce à partir d'éléments fabriqués par mise en forme d'un mélange de poudre de métal ou de céramique et d'au moins un liant. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE Les procédés connus de fabrication d'une pièce par mise en forme d'un mélange de poudre de métal ou de céramique et d'un liant présentent l'inconvénient d'offrir des possibilités limitées en terme de dimensions de la dite pièce, il n'est par exemple pas possible de fabriquer 10 des pièces de grande dimension, et en terme de complexité de géométrie. Il existe donc un besoin en ce sens. PRESENTATION DE L'INVENTION Un mode de réalisation concerne un procédé de fabrication d'une pièce dans lequel on fournit au moins deux éléments fabriqués 15 chacun par mise en forme d'un mélange de poudre de métal ou de céramique et d'au moins un liant ; on assemble les éléments de manière à former un corps monobloc ; on usine le corps monobloc ; on déliante le corps monobloc ; et on fritte le corps monobloc. On comprend que le mélange forme un matériau composite 20 comprenant de la poudre de métal (i.e. métal, carbure métallique, etc.) ou de la poudre de céramique (i.e. céramique, verre, etc.), et au moins un liant permettant de lier cette poudre. Par exemple, le liant est une cire, ou un matériau polymérique, par exemple du polyéthylène glycol (ou « PEG ») et du polyéthylène haute densité (ou « PEHD »), ou tout autre 25 matériau connu par l'homme du métier. Bien entendu, dans le mélange il peut y avoir un seul liant ou plusieurs liants. Par la suite, et sauf indication contraire, par « un/le liant » on entend « au moins un/le au moins un liant ». On comprend également que les éléments résultent de la mise 30 en forme de ce mélange/matériau composite par des procédés connus par ailleurs par l'homme du métier. Ainsi, dans certains modes de réalisation, les éléments fournis sont fabriqués par moulage par injection, extrusion, compaction, ou coulage par bande du mélange de poudre de métal ou de céramique et d'au moins un liant. Ainsi, lorsque les éléments sont obtenus 35 par moulage par injection, le procédé de fabrication objet du présent exposé est un procédé du type procédé de moulage par injection de 303 5 808 2 poudre, également connu sous l'acronyme « PIM » pour le terme anglais « Powder Injection Molding ». Lorsque les éléments sont obtenus par coulage par bande, le procédé de fabrication objet du présent exposé est un procédé du type connu sous la terminologie anglaise « tape casting ». 5 On comprend que dans la première étape on fournit deux éléments ou plus de deux éléments. Bien entendu, par la suite, et sauf indication contraire, toute description se référant à deux éléments est applicable à plus de deux éléments ou à l'ensemble des éléments fournis dans la première étape. Bien entendu, les éléments peuvent être tous similaires, ou présenter des formes et dimensions différentes. La forme des éléments n'est limitée que par leur procédé de mise en forme. De même, les éléments peuvent être tous fabriqués dans un même mélange, ou bien dans des mélanges différents mais néanmoins compatible entre eux de manière à pouvoir être assemblés et frittés ensemble. Une telle compatibilité est obtenue lorsque les plages comprises entre 65% et 98% de la température de fusion de chacun des matériaux (i.e. des liants pour l'étape d'assemblage, des poudres pour l'étape de frittage), se recoupent ou, en d'autres termes, présentent des températures communes. Les éléments fournis dans la première étape sont assemblés les uns aux autres de manière à former un corps unique et indivisible autrement que par usinage ou en l'altérant. A l'issue de cette étape d'assemblage, la structure interne du corps monobloc est sensiblement continue et les plans de joint entre les différents éléments ont disparu pour l'essentiel. Par « pour l'essentiel » on entend qu'au moins 90% des plans de joint ont disparu. En d'autres termes, le mélange de poudre et de liant du plan de joint de chaque élément s'est mélangé avec le mélange de poudre et de liant du plan de joint de l'élément adjacent. Cette étape d'assemblage permet ainsi d'obtenir un corps monobloc apte à subir les étapes suivantes d'usinage, de déliantage et de frittage pour la formation d'une pièce finale viable. L'étape d'assemblage permet d'obtenir un corps monobloc de plus grande taille que la taille maximum possible par le procédé de mise en forme de mélange de poudre et de liant pour fabriquer les éléments. L'étape d'usinage consiste à usiner le corps monobloc afin de lui donner la forme désirée de la pièce finale. L'usinage sur le corps monobloc 3035808 3 est plus facile qu'un usinage après le frittage car cela revient à usiner un corps en matériau composite, comparable à du plastique en terme de dureté de matériau et de difficulté d'usinage, plutôt qu'une pièce en métal ou en céramique. De plus, usiner le corps monobloc avant l'étape de 5 déliantage et de frittage présente également l'avantage qu'il est plus facile de délianter un corps monobloc usiné qu'un même corps monobloc qui n'est pas usiné. En effet, le déliantage est une étape délicate, et impose des contraintes notamment du point de vue des épaisseurs et dimensions du corps à délianter. Ainsi, grâce à l'usinage, non seulement on donne au 10 corps monobloc la forme désirée de manière relativement aisée, mais on conditionne aussi le corps monobloc, par le retrait de matière dû à l'usinage, pour faciliter l'étape suivante de déliantage. Grâce à cette étape d'usinage, on peut ainsi obtenir un corps monobloc de grande dimension et de forme complexe et facilement déliantable, par exemple à partir 15 d'éléments de formes simples, faciles à fabriquer et de dimensions plus réduites. L'étape de déliantage est une étape connue par ailleurs par l'homme du métier dans son principe, qui consiste à retirer en tout ou partie le liant du corps monobloc. 20 De même l'étape de frittage est également une étape connue par ailleurs par l'homme du métier dans son principe, qui consiste à chauffer le corps monobloc après l'avoir délianté de manière à densifier la poudre de métal ou de céramique du corps monobloc par soudage-diffusion et obtenir ainsi la pièce finale. 25 On comprend bien entendu que ces cinq étapes sont réalisées dans cet ordre, à savoir une première étape où on fournit les éléments, une deuxième étape où on assemble les éléments pour obtenir un corps monobloc, une troisième étape où on usine le corps monobloc, une quatrième étape où on déliante le corps monobloc usiné et une cinquième 30 étape où on fritte le corps monobloc usiné et délianté. Dans certains modes de réalisation, pour assembler les éléments, on met les éléments en contact l'un avec l'autre (ou les uns avec les autres) et on soumet les éléments à un traitement thermique. On comprend bien entendu qu'il n'y a pas d'ordre pour réaliser 35 ces deux étapes : on peut soit d'abord mettre en contact les éléments et 3035808 4 ensuite les soumettre à un traitement thermique, soit d'abord les soumettre à un traitement thermique et ensuite les mettre en contact. Le traitement thermique permet de faire fondre localement le liant de manière à « souder » les éléments entre eux au niveau de leur 5 plan de joint. On comprend que par « soudage », on entend un soudage entre les mélanges des éléments adjacents, et pas une fusion des poudres. Par exemple, le traitement thermique comprend une étape de chauffage, à l'aide d'un moyen de chauffage local comme par exemple 10 une résistance, une plaque chauffage ou par induction, des surfaces des éléments formant un plan de joint, puis de mettre en contact ces surfaces. Selon un autre exemple, on immerge en tout ou partie deux éléments en contact dans une solution chaude. On peut également immerger les éléments séparément, et les mettre en contact par la suite. Selon encore 15 un autre exemple, le chauffage est réalisé en étuve. L'étuve peut être à atmosphère contrôlée, par exemple sous vide, ou sous balayage de gaz neutre comme de l'argon ou de l'hydrogène en fonction des poudres utilisées. Dans certains modes de réalisation, le traitement thermique 20 comprend une étape de chauffage des éléments à une température prédéterminée. Une telle température prédéterminée permet de préserver l'intégrité des éléments tout en permettant de faire fondre ou de rendre suffisamment visqueux, au moins localement, suffisamment de liant pour 25 assurer l'assemblage. Dans certains modes de réalisation, la température prédéterminée est au minimum égale à environ 75% de la température minimale de fusion parmi les températures de fusion des liants des éléments. Bien entendu, lorsqu'il n'y a qu'un seul liant, la température 30 prédéterminée est supérieure à 75% de la température de fusion dudit liant. Une telle température minimale permet de rendre le ou les liants assez visqueux tout en assurant l'intégrité de la structure des éléments. Dans certains modes de réalisation, la température prédéterminée est inférieure à la température maximale de fusion parmi 35 les températures de fusion des liants des éléments. Bien entendu, lorsqu'il 3035808 5 n'y a qu'un seul liant, la température prédéterminée est inférieure à la température de fusion dudit liant. Il y a plusieurs liants en jeu par exemple lorsque un élément comprend plusieurs liants, ou lorsque les éléments sont fabriqués à partir 5 de mélanges différents, ces mélanges différents comprenant des liants différents. On comprend donc que la température de fusion de chacun de ces liants est différente de la température de fusion des autres liants. Ainsi, la température prédéterminée pour l'assemblage des éléments est inférieure à la température de fusion du liant qui présente la plus haute 10 température de fusion. Ceci permet d'assurer l'intégrité des éléments pendant l'assemblage tout en faisant fondre ou de rendre visqueux, au moins localement, suffisamment de liant pour assurer l'assemblage. Dans certains modes de réalisation, le traitement thermique est appliqué pendant une durée prédéterminée comprise en 0.5 minute et 60 15 minutes. De telles durées permettent d'assurer l'intégrité des éléments, et de minimiser les risques de fluage. Dans certains modes de réalisation, le traitement thermique est tel qu'au moins 50% du volume de liant de chaque élément reste solide. Ceci permet d'assurer l'intégrité des éléments pendant l'étape 20 d'assemblage et de minimiser les risques de fluage. Dans certains modes de réalisation, pour assembler les éléments on comprime les éléments l'un contre l'autre après les avoir mis en contact. Bien entendu, si il y a plus de deux éléments, on peut 25 comprimer l'ensemble des éléments les uns contre les autres, ou bien on les comprime deux-à-deux de manière séquentielle. Cet assemblage par compression peut au besoin être réalisé à l'aide d'un outillage dédié. En fonction de la viscosité du liant, il est possible d'assembler les éléments simplement en les comprimant l'un contre l'autre, sans avoir 30 besoin de traitement thermique. Il est également possible de combiner un traitement thermique avec une mise en compression. Dans ce dernier cas, la mise en pression favorise le soudage des éléments par traitement thermique. L'assemblage est ainsi un assemblage dit « thermomécanique ». 35 Bien entendu, la pression exercée pour comprimer un élément contre l'autre est au maximum égale à la limite élastique, à plus ou moins 3035808 6 10%, du liant ayant la limite élastique la plus faible à la température d'assemblage considérée. Dans certains modes de réalisation, on fournit plus de deux éléments, les éléments étant assemblés de manière séquentielle. 5 Un tel assemblage séquentiel permet de minimiser les contraintes subies par chaque élément pour l'assemblage. Dans certains modes de réalisation, au moins deux éléments comprennent chacun une portion configurée pour coopérer par complémentarité de forme avec l'autre élément, grâce à quoi on pré- 10 assemble lesdits au moins deux éléments par coopération par complémentarité de forme avant d'assembler les éléments. Par exemple, les portions complémentaires configurées pour coopérer par complémentarité de forme sont une portion concave et une portion convexe, une rainure et une nervure, un tenon et une mortaise, 15 etc. Ce type de portions complémentaires est facile à fabriquer, et permet de pré-assembler les éléments avant l'étape d'assemblage, ce qui améliore la précision de fabrication. Bien entendu, seuls deux éléments, plus de deux éléments, ou tous les éléments peuvent présenter de telles portions complémentaires. 20 Dans certains modes de réalisation, tous les éléments sont similaires. Par « similaire » on entend que les éléments on la même forme générale, excepté d'éventuelles différences locales de géométrie, comme par exemple la présence ou non de plot ou de trou de pré-assemblage. On 25 peut ainsi fabriquer une pièce finale de forme complexe à partir d'éléments standardisés fabriqués en grand nombre, ce qui permet de réduire les coûts. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS L'invention et ses avantages seront mieux compris à la lecture 30 de la description détaillée faite ci-après de différents modes de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs. Cette description fait référence aux pages de figures annexées, sur lesquelles : - les figures 1A à 1G représentent les différentes étapes du procédé de fabrication d'une pièce. 35 303 5 808 7 DESCRIPTION DETAILLEE D'EXEMPLES DE REALISATION Les formes représentées sur les figures sont volontairement simples et schématiques pour la clarté de l'exposé. L'homme du métier comprendra aisément l'enseignement du présent exposé et saura 5 l'appliquer à des formes réelles. Le procédé de fabrication d'une pièce est décrit en référence aux figures 1A à 1G. Dans une première étape, on fournit plusieurs éléments 10 fabriqués chacun par mise en forme d'un mélange de poudre de métal ou 10 de poudre de céramique et d'au moins un liant. Dans cet exemple, on fournit six éléments 10, mais on pourrait bien entendu en fournir plus de six ou moins de six. Chacun de ces éléments 10 comprend une portion 10A et/ou 10B configurée pour coopérer respectivement avec la portion 10B et/ou 15 10A de l'élément 10 adjacent par complémentarité de forme. Dans cet exemple, les portions 10B sont des portions mâles, et plus particulièrement des plots en saillie tandis que les portions 10A sont des portions femelles, et plus particulièrement des trous borgnes. On notera que dans cet exemple, les éléments 10 sont de 20 mêmes formes générales, et empilés les uns sur les autres (voir figure 1B), la face supérieure de chacun des éléments 10 présentant des portions mâles 10B, tandis que la face inférieure de chacun des éléments 10 présente des portions femelles 10A. Bien entendu, selon une variante, il est possible de disposer les portions mâles à la place des portions 25 femelles et vice-versa. On notera que le premier élément 10 en bas de la pile ne coopère avec aucun autre élément via sa face inférieure, et ne présente donc aucune portion femelle sur sa face inférieure tandis le dernier élément 10 en haut de la pile ne coopère avec aucun autre élément via sa face supérieure, et ne présente donc aucune portion mâle 30 sur sa face supérieure. Ainsi, tous les éléments 10 sont similaires tandis que seuls les éléments 10 du milieu de la pile sont strictement identiques. Dans une deuxième étape, on assemble les éléments 10 en les mettant d'abord en contact les uns avec les autres, par exemple en les empilant les uns sur les autres comme cela est représenté sur la figure 1B. 35 Par ailleurs, au cours de cette étape on emboite les portions mâles et femelles 10B et 10A, cette étape forme donc une étape de pré- 303 5 808 8 assemblage. Ensuite on soumet les éléments pré-assemblés à un traitement thermique. On obtient ainsi un corps monobloc 20 tel que représenté sur la figure 1C. Bien entendu, selon une variante, on assemble séquentiellement les éléments deux-à-deux pour former le corps 5 monobloc 20. Les loupes des différentes figures 1A, 1B et 1C représentes les états des plans de joints entre les différents éléments 10. Sur la loupe de la figure 1A, les éléments 10 sont distants, et ne sont donc pas en contact. On remarque que les éléments 10 sont formés de poudre 12 et 10 de liant 14. Bien entendu, selon une variante, la nature du liant et/ou la nature de la poudre et/ou la fraction de poudre par rapport au liant varie d'un élément à l'autre. Sur la loupe de la figure 1B, les éléments 10 sont en contact, et un plan de joint 3 est formé. Il y une discontinuité de matière au niveau du plan de joint J. Sur la loupe de la figure 1C, à l'issu 15 de l'assemblage entre les éléments 10, le plan de joint à disparu, et il y a une continuité de matière au sein du corps monobloc 20. Grâce à la viscosité du liant 14 lors de l'assemblage, le liant 14 (et dans une moindre mesure, la poudre 12) d'un élément 10 s'est mélangé, au niveau du plan de joint 3, avec le liant 14 (et dans une moindre mesure, la poudre 12) de 20 l'élément adjacent, de manière à faire disparaitre le plan de joint. Les figures 1D et 1E représentent une étape où le corps monobloc 20 est usiné. Sur la figure 1D on visualise la forme résultante après l'usinage du corps monobloc, cette représentation étant purement abstraite et théorique, tandis que la figure 1E représente le corps 25 monobloc 20 usiné. Dans cet exemple, on a usiné le corps monobloc 20 par fraisage, mais bien entendu tout autre usinage connu par l'homme du métier est applicable au corps monobloc 20. Bien entendu, de manière générale, la matière retirée par l'usinage après l'assemblage et avant le déliantage et le frittage peut être recyclée et réutilisée pour fabriquer de 30 nouveaux éléments. Après cette étape d'usinage, on déliante le corps monobloc 20, dans lequel la majorité du liant est retirée, et ce de manière connu par l'homme du métier. Ainsi, comme représenté sur la figure 1F, le corps monobloc 20 est constitué principalement de poudre 12. 35 Enfin, on fritte le corps monobloc 20 pour obtenir la pièce 22 représentée sur la figure 1G, et ce de manière connue par l'homme du 3035808 9 métier. Au cours de cette étape, le corps monobloc 20 est densifié. La pièce frittée 22 présente des dimensions plus réduites que le corps monobloc 20 correspondant, cette réduction étant un phénomène connu lié au frittage des poudres. 5 Bien que la présente invention ait été décrite en se référant à des exemples de réalisation spécifiques, il est évident que des modifications et des changements peuvent être effectués sur ces exemples sans sortir de la portée générale de l'invention telle que définie par les revendications. En particulier, des caractéristiques individuelles des 10 différents modes de réalisation illustrés/mentionnés peuvent être combinées dans des modes de réalisation additionnels. Par conséquent, la description et les dessins doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif. Il est également évident que toutes les caractéristiques décrites 15 en référence à un procédé sont transposable, seules ou en combinaison, à un dispositif, et inversement, toutes les caractéristiques décrites en référence à un dispositif sont transposables, seules ou en combinaison, à un procédé. REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'une pièce (22) dans lequel : - on fournit au moins deux éléments (10) fabriqués chacun par mise en forme d'un mélange de poudre (12) de métal ou de céramique et d'au moins un liant (14) - on assemble les éléments (10) de manière à former un corps monobloc (20), - on usine le corps monobloc (20), - on déliante le corps monobloc (20), et - on fritte le corps monobloc (20). 2. Procédé de fabrication selon la revendication 1 dans lequel, pour assembler les éléments (10), on met les éléments (10) en contact l'un avec l'autre et on soumet les éléments à un traitement thermique. 3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel le traitement thermique comprend une étape de chauffage des éléments (10) à une température prédéterminée. 4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel la température prédéterminée est inférieure à la température maximale de fusion parmi les températures de fusion des liants (14) des éléments (10). 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, dans lequel le traitement thermique est tel qu'au moins 50% du volume de liant de chaque élément reste solide. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel pour assembler les éléments (10) on comprime les éléments (10) l'un contre l'autre après les avoir mis en contact. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel on fournit plus de deux éléments (10), les éléments (10) étant assemblés de manière séquentielle. 8. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 dans lequel tous les éléments (10) sont similaires. 9. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel au moins deux éléments (10) comprennent chacun une portion (10A, 10B) configurée pour coopérer par complémentarité de forme avec l'autre élément, grâce à quoi on 3035808 11 pré-assemble lesdits au moins deux éléments (10) par coopération par complémentarité de forme avant d'assembler les éléments. 10. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel les éléments (10) fournis sont fabriqués par 5 moulage par injection, extrusion, compaction ou coulage par bande du mélange de poudre (12) de métal ou de céramique et d'au moins un liant (14).