Brevet FR3072894A1 — publié le 20190503

PROCEDE DE CONTRÔLE DES DIMENSIONS D'UNE PIÈCE FRITTABLE AU COURS DE SON FRITTAGE La présente invention concerne un procédé de 5 frittage d'une pièce frittable. Le frittage est un mécanisme permettant d'éliminer la porosité d'une pièce, par chauffage de cette dernière. Les mécanismes en jeu sont des mécanismes de transport de matière sans fusion, par diffusion. Il existe 10 plusieurs types de frittage dont le frittage en phase solide et le frittage en phase liquide. En frittage en phase solide, la densité théorique de la pièce qui subit le frittage est identique du début à la fin de l'opération de frittage. 15 Classiquement, les opérations de frittage utilisaient des fours résistifs qui consomment des quantités d'énergie importantes. Depuis 30 ans, sont apparus des nouveaux procédés de frittage de pièces céramiques utilisant des fours à micro-ondes. Ces procédés 20 permettent des économies d'énergie en délivrant une certaine puissance pendant une certaine durée de temps. Depuis 2011, avec les travaux de Daniel Zymelka, ces fours sont contrôlables par un régulateur PID (proportionnel, intégrateur, dérivateur). 25 L'alumine et la zircone font partie des céramiques oxydes les plus utilisées, notamment pour la protection balistique, les bougies d'allumage (alumine de faible pureté) et la santé pour les prothèses dentaires. Les prothésistes dentaires ont travaillé pendant 30 longtemps sur des modèles métalliques pour les prothèses. A partir de l'empreinte de la mâchoire du patient, les prothésistes travaillaient directement le corps métallique de la prothèse pour que cette dernière ait la forme 2 adéquate pour l'empreinte prise. Cette prothèse métallique était ensuite revêtue par un revêtement céramique. Cependant, les prothèses métalliques présentent des inconvénients car le métal de la prothèse entraîne une modification du pH buccal ce qui peut provoquer la formation de caries. On peut surmonter les inconvénients de prothèses métalliques en utilisant des prothèses constituées à 100 % de matière céramique. Pour fabriquer la prothèse, les prothésistes reçoivent des blocs d'une matière céramique qui a été préalablement préfrittée vers 1000-1100°C. Ce bloc peut être facilement usiné pour obtenir la forme voulue de la prothèse. La prothèse est ensuite frittée dans un four 15 résistif classique pendant 8 à 12 heures afin d'éliminer la porosité, ce qui permet d'obtenir les propriétés mécaniques souhaitées pour la prothèse. Pour des raisons de coût, l'usinage est réalisé avant le frittage. La prothèse pourrait être usinée après 20 frittage, mais, à cause de l'augmentation de la dureté à la suite du frittage, des outils d'usinage de type diamant coûteux doivent être utilisés. Les prothésistes dentaires, qui ont été formés au travail des métaux, peuvent ne pas avoir les connaissances 25 nécessaires pour le frittage des céramiques et rencontrent des difficultés pour la programmation de leurs fours de frittage. Classiquement, ils usinent la pièce avec des dimensions de 15 à 20 % plus importantes pour prendre en compte le retrait de la pièce lors du frittage. 30 Une fois qu'un programme de chauffage a été installé, les prothésistes le conservent, mais si la céramique utilisée est différente, cela peut mener à des prothèses qui n'ont pas les bonnes propriétés et la 3 prothèse est à refaire, ce qui implique une consommation d'énergie importante pour le four résistif, un retard dans la production et une perte de matière céramique. Il serait alors intéressant d'utiliser des fours 5 à micro-ondes qui permettent d'obtenir des prothèses en 30 minutes au lieu de 8 à 12 heures, ce qui permettrait des économies d'énergie substantielles ainsi qu'une amélioration de l'organisation du travail du prothésiste, celui-ci n'ayant plus à attendre d'avoir plusieurs pièces à 10 fritter pour rentabiliser l'utilisation de son four résistif. Il serait aussi intéressant de disposer d'un procédé permettant de contrôler le cycle de chauffage du four selon les caractéristiques de la pièce à obtenir afin de pouvoir fritter n'importe quelle céramique sans même connaître ses propriétés particulières. Il serait ainsi possible de fritter la pièce sans avoir à connaître les caractéristiques du programme de chauffage à mettre en oeuvre, ce qui permettrait à des personnes n'ayant pas de connaissance particulière en céramique de réaliser un frittage adéquat pour la pièce à fritter et pour les personnes ayant des connaissances dans le domaine des céramiques de ne pas avoir à conduire des expériences de calibrage du four lors d'un changement de matière céramique. De la même façon, atteindre les objectifs ci-dessus serait intéressant pour toute autre application d'un matériau céramique frittable. Les présents inventeurs ont recherché une 30 solution à ces problèmes, cette solution faisant l'objet de la présente invention. La présente invention porte sur un procédé de frittage d'une pièce frittable, caractérisé par le fait que 4 l'on contrôle l'évolution dimensionnelle de la pièce et que l'on arrête le frittage à au moins une dimension de la pièce qui est la dimension finale correspondante voulue à froid plus la dilatation thermique calculée pendant la 5 phase de montée en température avant le début du retrait. Dans un premier mode de réalisation, on conduit un frittage à l'état solide d'une pièce dont le taux de densification initial n'est pas connu, on peut alors arrêter le frittage à un moment correspondant à une 10 stagnation de l'évolution dimensionnelle, le taux de densification étant proche de 100% après la prise en compte de la dilatation ayant lieu pendant le cycle de frittage. Si l'on conduit un frittage à l'état solide d'une pièce dont le taux de densification initial est connu, on 15 peut alors arrêter le frittage à une dimension de la pièce en cours de frittage qui correspond au taux de densification voulu après la prise en compte de la dilatation ayant lieu pendant le cycle de frittage. Dans un second mode de réalisation, on conduit un 20 frittage à l'état liquide d'une pièce dont la masse volumique initiale n'est pas connue, on peut alors arrêter le frittage à un moment correspondant à une stagnation de l'évolution dimensionnelle après la prise en compte de la dilatation ayant lieu pendant le cycle de frittage. 25 Si l'on conduit un frittage à l'état liquide d'une pièce dont la masse volumique initiale est connue, on peut arrêter le frittage à une dimension de la pièce en cours de frittage correspondant à la masse volumique voulue après la prise en compte de la dilatation ayant lieu pendant le cycle de frittage. Dans les modes de réalisation où l'on arrête le frittage à un moment correspondant à une stagnation de l'évolution dimensionnelle de la pièce à fritter, on peut, 5 après arrêt du chauffage pour la réalisation du frittage, maintenir la pièce dans son four de frittage pendant un laps de temps nécessaire pour s'assurer de l'homogénéité du traitement thermique sur l'ensemble de la pièce. 5 Dans la présente invention, la pièce à fritter peut être une pièce mono-matériau, et on peut alors contrôler n'importe quelle dimension de la pièce. La pièce à fritter peut également être une pièce multi-matériaux, dite FGM, dans laquelle au moins deux 10 matériaux A et B sont mélangés pour suivre un gradient de concentration d'une face d'extrémité de la pièce à une face d'extrémité opposée, et on peut alors contrôler la dimension d'au moins l'une des deux faces d'extrémité. La pièce à fritter peut également être une pièce 15 multi-matériaux au moins deux couches de matériaux différents, et on peut alors contrôler la dimension d'au moins une couche. Le procédé de frittage selon la présente invention peut être conduit dans un four choisi parmi les 20 fours résistifs, les fours à micro-ondes et les fours à induction. Les pièces frittables peuvent être à base d'un matériau choisi parmi les céramiques oxydes, telles que l'alumine et la zircone, les nitrures, tels que le nitrure 25 de bore, le nitrure d'aluminium et les carbures, tels que le carbure de tungstène, le carbure de bore et le carbure de silicium, lesdites céramiques étant pures ou additionnées d'au moins un élément dopant ou fondant. 30 Pour mieux illustrer l'objet de la présente invention, on va en décrire ci-après, à titre indicatif et non limitatif, plusieurs modes de réalisation avec référence au dessin annexé. 6 Sur ce dessin : - la Figure 1 représente un schéma de principe de 5 l'installation de frittage utilisée pour le procédé de frittage selon la présente invention, comprenant un four à micro-ondes, au moins une caméra utilisée pour le suivi dimensionnel d'un échantillon à fritter ainsi que des pyromètres pour le suivi de la température 10 dudit échantillon ; - la Figure 2 représente une vue schématique en coupe de l'installation de frittage pour le procédé de frittage de la présente invention, montrant la cheminée 15 d'observation de l'échantillon et le positionnement des pyromètres au-dessus du four ; - la Figure 3 est une vue schématique représentant la caméra et les pyromètres lorsqu'ils sont placés au 20 niveau de la porte du four ; - la Figure 4 est une courbe de suivi du retrait dimensionnel d'un échantillon de céramique oxyde en fonction de la température, lors d'un frittage jusqu'à 25 densification complète ; - les Figures 4a à 4d sont des images prises différents instants de l'échantillon de céramique oxyde qui a été fritté pendant le frittage 30 correspondant à la courbe de la Figure 4 ; - la Figure 5 est une courbe de suivi du retrait dimensionnel d'un échantillon de céramique oxyde en 7 fonction de la température, lors d'un frittage densification incomplète ; - les Figures 5a à 5d sont des images prises 5 différents instants de l'échantillon de céramique oxyde qui a été fritté pendant le frittage correspondant à la courbe de la Figure 5. Les exemples suivants illustrent la présente 10 invention sans toutefois en limiter la portée. Si l'on se réfère à la Figure 1, on a représenté une vue schématique de l'installation que l'on utilise pour le frittage d'un échantillon E en céramique et pour le 15 suivi dimensionnel dudit échantillon E. L'installation comprend un four qui est un four à micro-ondes 1 équipé d'un générateur 2 avec magnétron, d'un système de refroidissement (non représenté), d'un guide d'ondes 3 et d'une cavité multimodes 4. 20 Le générateur 2 avec magnétron peut fournir une puissance de 300 W à 3 kW à une fréquence de 2,45 GHz. A l'extrémité du guide d'ondes 3, des pistons permettent de modifier la distribution du champ électromagnétique l'intérieur de la cavité multimodes 4. 25 Le four 1 est équipé d'un brasseur d'ondes 5 en cuivre. Ce brasseur d'ondes 5 permet de mieux homogénéiser les ondes à l'intérieur de la cavité 4. L'échantillon E est placé à l'intérieur d'un creuset 6a, lui-même placé sur un support de creuset 6b à 30 l'intérieur du four 1. Le creuset 6a est de forme parallélépipédique ou cylindrique. La partie extérieure du creuset 6a est constituée d'un matériau isolant thermiquement et 8 transparent aux micro-ondes. Cette partie extérieure peut typiquement être en matière céramique réfractaire poreuse, comme les aluminosilicates. La partie extérieure du creuset est ouverte sur deux de ses côtés, de telle sorte que les 5 plans des deux ouvertures sont perpendiculaires l'un l'autre. Ces ouvertures permettront l'observation de l'échantillon E à fritter à travers celles-ci par la caméra 10 située au niveau de la porte du four, ou par une caméra disposée au-dessus du four 1. 10 Dans le cas où l'échantillon E est observé par la caméra située au niveau de la porte du four, celui-ci est introduit à l'intérieur du creuset 6a et repose sur deux tiges horizontales en alumine que l'on peut voir sur les photographies des Figures 4a à 4d et des Figures 5a à 5d. 15 Des suscepteurs sont placés dans le creuset 6a afin de permettre un chauffage approprié de l'échantillon E à fritter. Des ouvertures 7a et 7b sont aménagées dans la partie supérieure du four 1 ainsi qu'au niveau de sa porte. 20 Ces ouvertures 7a et 7b sont formées par un hublot en quartz. Des cheminées 8a et 8b sont placées au niveau des ouvertures respectivement 7a et 7b afin de placer des équipements de mesure de la température tels que des 25 pyromètres 9 ainsi que des moyens de suivi dimensionnel de l'échantillon E tels qu'une caméra CCD 10. Il est possible de positionner seulement des équipements de mesure de la température ou des moyens de suivi dimensionnel au niveau d'une cheminée, et il est 30 également possible de placer à la fois des éléments de mesure de la température et des moyens de suivi dimensionnel devant au niveau de chaque cheminée 8a et 8b. 9 Devant la cheminée 8b, on place des diodes électroluminescentes (DEL) 11. Ces DEL 11 permettent d'éclairer l'intérieur du four afin de mieux suivre l'évolution dimensionnelle de l'échantillon E. 5 Si une caméra était placée au niveau de la cheminée 8a au-dessus du four, des DEL seraient également placées au-niveau de cette cheminée afin de pouvoir observer l'échantillon E. Ainsi, il est possible d'observer l'échantillon E 10 dans le four alors que l'on conduit un procédé de frittage dudit échantillon E. Exemple 1 : Suivi dilatométrique d'un échantillon de céramique oxyde frittant en phase solide jusqu'à 15 densification complète Un échantillon cylindrique de céramique oxyde, dans l'exemple présenté, d'alumine, est placé à l'intérieur du creuset 6a tel que décrit ci-dessus. Puis, ce dernier 20 est placé dans le four à micro-ondes 1 tel que décrit ci-dessus, et le chauffage du four 1 est amorcé à une puissance incidente initiale de 300 W. L'échantillon est observé par la caméra au niveau de la porte du four 1. La Figure 4a est une image prise par la caméra 10 25 située au niveau de la porte du four 1. Sur cette image, on a ajouté un cercle qui représente le diamètre initial de l'échantillon cylindrique avant le chauffage. Pendant une première phase du chauffage de l'échantillon, au début du processus, les phénomènes de 30 dilatation thermique sont plus importants que le phénomène de retrait de la matière céramique. La Figure 4b montre une image de l'échantillon prise vers 1000°C. On peut constater que le diamètre de l'échantillon est supérieur au diamètre 10 initial de celui-ci à ce moment du processus, les bords de l'échantillon dépassant le cercle représentant le diamètre initial de l'échantillon. Ensuite, le phénomène de retrait devient 5 prépondérant et le diamètre de l'échantillon commence à diminuer comme on peut le voir sur la courbe de la Figure 4, au niveau de 1100°C. Puis lorsque le diamètre de l'échantillon commence à stagner, cela signifie que le retrait est 10 terminé. Ce moment est repéré par un changement de pente de la courbe représentée sur la Figure 4 après 1500°C. A ce moment du frittage, on maintient l'échantillon dans le four pendant 5 à 10 minutes pour éliminer toute porosité résiduelle dans ce dernier. Ce moment se manifeste sur la 15 courbe de la Figure 4 par le palier vertical consécutif au changement de pente au-dessus de 1500°C. Puis on arrête le chauffage et on laisse l'échantillon refroidir dans le four. Lors de ce refroidissement, la dimension de la pièce va augmenter à 20 nouveau en raison de la rétractation de la pièce conséquente à sa dilatation lors de son chauffage. Exemple 2 : Suivi dilatométrique d'un échantillon de céramique oxyde frittant en phase solide à densification 25 incomplète De la même manière qu'à l'Exemple 1, un échantillon de matière céramique à fritter est introduit dans le creuset 6a puis placé dans le four à micro-ondes 1 30 pour subir un frittage. L'échantillon est observé par la caméra au niveau de la porte du four 1. Si l'on connaît le taux de densification de l'échantillon que l'on va fritter, on peut alors calculer H la dimension que l'échantillon aura s'il on le fritte jusqu'à un taux de densification souhaité. En allant à cette densification incomplète, l'échantillon possèdera des pores que l'on pourra, par 5 exemple, remplir avec un composé approprié. Une fois ce calcul fait et la dimension atteindre connue, on peut commencer le frittage de l'échantillon. La Figure 5a est une image prise par la caméra 10 10 située au niveau de la porte du four 1. De la même manière que dans l'Exemple 1, on a ajouté un cercle qui représente le diamètre initial de l'échantillon cylindrique avant le chauffage. Le début du frittage se déroule comme dans le cas 15 de l'Exemple 1, avec une dilatation thermique plus importante que le retrait au début du chauffage, ce que l'on peut voir sur l'image de la Figure 5b. Ensuite, le phénomène de retrait devient prépondérant et le diamètre de l'échantillon commence à 20 diminuer comme on peut le voir sur la courbe de la Figure 5, au niveau de 1100°C. Au moment où la dimension de l'échantillon observée grâce à la caméra atteint la dimension objectif qui était fixée, le chauffage est arrêté afin d'arrêter le 25 frittage au taux de densification voulu de l'échantillon. REVENDICATIONS1 - Procédé de frittage d'une pièce frittable, caractérisé par le fait que l'on contrôle l'évolution dimensionnelle de la pièce et que l'on arrête le frittage à au moins une dimension de la pièce qui est la dimension finale correspondante voulue à froid plus la dilatation thermique calculée pendant la phase de montée en température avant le début du retrait. 2 - Procédé selon la revendication 1 suivant lequel on conduit un frittage à l'état solide, le taux de densification initial de la pièce n'étant pas connu, caractérisé par le fait que l'on arrête le frittage à un moment correspondant une stagnation de l'évolution dimensionnelle, le taux de densification étant proche de 100% après la prise en compte de la dilatation ayant lieu pendant le cycle de frittage. 3 - Procédé selon la revendication 1 suivant lequel on conduit un frittage à l'état solide, le taux de densification initial de la pièce étant connu, caractérisé par le fait que l'on arrête le frittage à une dimension de la pièce en cours de frittage qui correspond au taux de densification voulu après la prise en compte de la dilatation ayant lieu pendant le cycle de frittage. 4 - Procédé selon la revendication 1 suivant lequel on conduit un frittage à l'état liquide, la masse volumique initiale de la pièce n'étant pas connue, caractérisé par le fait que l'on arrête le frittage à un moment correspondant à une stagnation de l'évolution 13 dimensionnelle après la prise en compte de la dilatation ayant lieu pendant le cycle de frittage. 5 - Procédé selon la revendication 1 suivant 5 lequel on conduit un frittage à l'état liquide, la masse volumique initiale de la pièce étant connue, caractérisé par le fait que l'on arrête le frittage à une dimension de la pièce en cours de frittage correspondant à la masse volumique voulue après la prise en compte de la dilatation 10 ayant lieu pendant le cycle de frittage. 6 - Procédé selon l'une des revendications 1, 2 et 4, caractérisé par le fait qu'après arrêt du chauffage pour la réalisation du frittage, on maintient la pièce dans 15 son four de frittage pendant un laps de temps nécessaire pour s'assurer de l'homogénéité du traitement thermique sur l'ensemble de la pièce. 7 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, 20 dans lequel la pièce à fritter est une pièce mono-matériau, caractérisé par le fait que l'on contrôle n'importe quelle dimension de la pièce. 8 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, 25 dans lequel la pièce à fritter est une pièce multimatériaux, dite FGM, dans laquelle au moins deux matériaux A et B sont mélangés pour suivre un gradient de concentration d'une face d'extrémité de la pièce à une face d'extrémité opposée, caractérisé par le fait que l'on 30 contrôle la dimension d'au moins l'une des deux faces d'extrémité. 14 9 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel la pièce à fritter est une pièce multimatériaux à au moins deux couches de matériaux différents, caractérisé par le fait que l'on contrôle la dimension d'au 5 moins une couche. 10 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé par le fait que l'on conduit le frittage dans un four choisi parmi les fours résistifs, les fours à 10 micro-ondes et les fours à induction. 11 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé par le fait que les pièces frittables sont à base d'un matériau choisi parmi les céramiques oxydes, 15 telles que l'alumine et la zircone, les nitrures, tels que le nitrure de bore, le nitrure d'aluminium et les carbures, tels que le carbure de tungstène, le carbure de bore et le carbure de silicium, lesdites céramiques étant pures ou additionnées d'au moins un élément dopant ou fondant. 20