Brevet FR3114258A1 — publié le 20220325

L’invention concerne un procédé de fabrication d’une pièce métallique ou céramique, comprenant : - la réalisation par fabrication additive par dépôt de fil fondu d’une pièce verte (1) et d’au moins une structure de support (10) ayant une surface de contact avec la pièce verte, la pièce verte étant réalisée à partir d’un feedstock comprenant un liant et une poudre métallique ou céramique dont le taux de charge est compris entre 50 et 65% en volume ; - l’élimination de chaque structure de support (10) ; - l’élimination du liant de la pièce verte (1) pour obtenir une pièce brune ; - la densification de la pièce brune par frittage. Chaque structure de support est constituée d’un polymère thermoplastique qui est également présent comme composant majoritaire dans le liant de la pièce verte, l’élimination de chaque structure de support et l’élimination du liant de la pièce verte étant concomitantes. Figure pour l’abrégé : figure 4 Procédé amélioré de fabrication d’une pièce par fabrication additive par dépôt de fil fondu L’invention a trait à la fabrication additive par dépôt de fil fondu pour la fabrication de pièces métalliques ou céramiques nécessitant une ou plusieurs structures de support. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE La fabrication additive par dépôt de fil fondu, ou fabrication additive FFF (de l’anglais « Fused Fabrication Filament »), est une fabrication par dépôt de matière fondue qui consiste à construire, couche par couche, une pièce plastique ou une pièce verte, par dépôt d’un filament fondu qui se solidifie en refroidissant. Dans le cas de la fabrication additive d’une pièce verte, le filament utilisé résulte du conditionnement d’un mélange, appelé feedstock, sous la forme d’un filament de diamètre compris entre 1,5 et 2 mm et plus généralement entre 1,5 et 1,8 mm. Le feedstock est un mélange d’une poudre (métallique ou céramique) et d’un liant ; il est généralement utilisé dans la fabrication de pièces par injection à l’aide du procédé MIM (de l’anglais « Metal Injection Moulding »). Le liant du feedstock est un vecteur qui sert à la mise en œuvre de la poudre métallique ou céramique, puisqu’il permet la mise en place de la poudre pour donner forme à la pièce verte. Une fois la pièce verte obtenue, le liant doit être éliminé (déliantage). Le liant est un système multicomposants. Il est principalement composé de deux polymères thermoplastiques différents, à savoir un polymère principal (c’est-à-dire ayant un pourcentage massique supérieur aux pourcentages massiques de tous les autres composants du liant) et un polymère secondaire en moindre quantité, auxquels on ajoute des additifs en faible quantité (dispersants, stabilisateurs, surfactants, etc.). Ces additifs permettent de stabiliser la répartition entre la poudre et les polymères ; ils permettent notamment d’abaisser la viscosité du feedstock à l’état fondu pour faciliter son injection au cours du procédé MIM. Le liant comprenant deux polymères différents, le déliantage de la pièce verte se déroule en deux étapes. Au cours de la première étape, on retire le polymère principal chimiquement ou thermiquement. Cette première étape a pour but d’ouvrir des pores entre les particules de poudre depuis les surfaces extérieures vers le cœur de la pièce verte. À l’issue de la première étape, le polymère secondaire subsiste. Ce polymère secondaire, également appelé « backbone », permet à la pièce verte de conserver sa forme et assure à la pièce une résistance qui lui permet d’être manipulée. Ce polymère secondaire est retiré au cours d’une deuxième étape, généralement en appliquant un traitement thermique à une température plus importante que celle régnant au cours de la première étape. Cette deuxième étape est généralement effectuée dans un four de frittage et est généralement réalisée au début de l’étape de frittage de la pièce. La fabrication additive FFF est illustrée dans la figure 1 ; l’impression 3D d’une pièce verte 1 par la technique FFF nécessite un plateau d’impression 2, une bobine 3 de filament 4 de feedstock et au moins une tête d’impression 5, également appelée « extrudeur » ou « buse d’extrusion ». Le filament 4 est mis en forme par la technique FFF et, à partir du feedstock fondu et solidifié, on obtient une pièce dite « pièce verte » 1. Dans la figure 1, un agrandissement de la zone autour de la buse d’extrusion (délimitée par un trait discontinu) montre le filament de feedstock qui est dans un état fondu 6 à la sortie de la buse d’extrusion, puis le filament déposé est dans un état en cours de solidification 7 et enfin, dans un état solidifié 8. On fait ensuite subir une opération de déliantage à la pièce verte, afin d’éliminer le liant contenu dans le feedstock solidifié. On obtient alors une pièce dite « pièce brune » 11. Enfin, on fait subir une opération de frittage à la pièce brune, afin d’obtenir une pièce 100% métallique ou 100% céramique, en fonction du type de poudre utilisé dans le feedstock. Dans la fabrication additive FFF, il est nécessaire d’avoir une couche sur laquelle déposer la matière pour déposer la couche suivante. Ainsi, pour réaliser des pièces vertes présentant, par exemple, des zones en surplomb 9 d’un angle supérieur à environ 45° par rapport à un plan horizontal, ou bien encore des éléments tels que des cavités ou canaux internes, ou des trous, traversants ou non, d’une inclinaison supérieure à environ 45°, il est nécessaire d’avoir recours à des structures 10 dites « de support », afin d’éviter, par exemple, de déposer du filament « dans le vide ». La structure de support 10 a au moins une surface en contact avec la pièce verte. Dans la figure 2 est illustré un exemple d’une pièce verte 1 ayant nécessité l’utilisation d’une structure de support 10 lors de sa construction, pour soutenir la zone 9 de la pièce verte 1 en surplomb. Les structures de support peuvent être de deux types : - elles peuvent être réalisées avec le même matériau que celui avec lequel la pièce verte est construite, et dans ce cas leur élimination se fait de façon mécanique (arrachement à la main et/ou à l’aide d’outils) ; ou - elles peuvent être réalisées à l’aide d’un autre matériau, ce qui nécessite que l’appareil utilisé pour l’impression 3D par la technique FFF soit équipé d’une seconde buse d’extrusion qui extrude cet autre matériau, généralement appelé matériau support. Dans ce cas, le second matériau est généralement choisi de façon à ce qu’il soit soluble dans un solvant n’interagissant pas avec la pièce verte imprimée. Lorsque les structures de support sont imprimées avec le même matériau que celui utilisé pour imprimer la pièce verte, elles sont généralement imprimées avec une densité plus faible que celle de la pièce verte afin de limiter leur impact sur le temps d’impression. Un faible espace est également laissé volontairement entre les structures de support et la pièce verte pour éviter que celles-ci fusionnent avec la pièce et ainsi faciliter leur retrait. Cette méthode de réalisation des structures de support a l’avantage d’être rapide, car aucun changement d’outil ou de paramétrie n’est nécessaire à l’obtention des structures de support. Cependant, les structures de support fusionnent très souvent avec la pièce verte au niveau de leur interface et laissent ainsi des marques sur la pièce verte. En outre, le retrait des structures de support nécessite une opération post impression et les structures de support ne peuvent être retirées d’une cavité fermée. Une autre technique (document [1]) consiste à imprimer les structures de support avec du feedstock identique à celui utilisé pour la pièce verte et à interposer une fine couche de céramique entre la pièce verte et chaque structure de support. L’ensemble {pièce verte + structure(s) de support + interface(s) céramique(s)} est délianté, puis fritté. La couche céramique sert à empêcher le soudage et la diffusion entre la pièce et chaque structure de support lors de l’étape de frittage. Notons qu’ici la structure de support est utilisée à la fois comme support de construction et comme support de frittage ; elle n’est donc pas retirée avant la fin de l’étape de frittage. L’inconvénient de cette technique est qu’elle peut s’avérer relativement coûteuse, pour certains types de feedstock. Lorsque les structures de support sont imprimées avec un matériau différent de celui utilisé pour imprimer la pièce verte, il est possible d’imprimer les structures de support dans un matériau dont les conditions de dégradation sont différentes de celles de la pièce. Mais là encore, le retrait des structures de support nécessite un temps supplémentaire, plus ou moins long selon l’épaisseur des structures de support. Dans tous les cas, le recours à des structures de support dans les solutions proposées dans l’art antérieur a un impact dans la gamme opératoire en ajoutant un temps nécessaire à leur élimination, qu’elle soit effectuée de façon mécanique, chimique (par dissolution) ou thermique. Il existe un besoin d’optimisation des procédés de l’art antérieur afin de pouvoir, lors de l’impression d’une pièce verte par fabrication additive FFF, fabriquer une ou plusieurs structures de support : - qui soi(en)t facilement amovible(s); - de manière moins coûteuse qu’en réalisant des structures de support avec le feedstock lui-même ; - qui n’occasionne(nt) pas d’augmentation de temps dans la gamme post-impression ; - qui soi(en)t compatible(s) avec la formulation du feedstock utilisé pour l’impression de la pièce verte. Pour répondre à ce besoin, l’invention a pour objet un procédé de fabrication d’une pièce métallique ou céramique, comprenant : - la réalisation par fabrication additive par dépôt de fil fondu d’une pièce verte et d’au moins une structure de support ayant une surface de contact avec la pièce verte, la pièce verte étant réalisée à partir d’un feedstock comprenant un liant et une poudre métallique ou céramique, le taux de charge de la poudre étant compris entre 50 et 65% en volume ; - l’élimination de chaque structure de support ; - l’élimination du liant de la pièce verte pour obtenir une pièce brune ; - la densification de la pièce brune par frittage ; caractérisé en ce que chaque structure de support est constituée d’un polymère thermoplastique qui est également présent comme composant majoritaire dans le liant de la pièce verte, l’élimination de chaque structure de support et l’élimination du liant de la pièce verte étant concomitantes. Dans le cadre de la présente invention, on considère qu’un composant est majoritaire quand son pourcentage massique est supérieur aux pourcentages massiques de tous les autres composants du liant. Selon une variante possible de l’invention, le procédé comprend en outre, au cours de la réalisation de la pièce verte et de chaque structure de support, la réalisation par fabrication additive par dépôt de fil fondu d’au moins un support de frittage, une structure de support étant disposée entre chaque support de frittage et la pièce verte, chaque structure de frittage étant en un feedstock identique au feedstock de la pièce verte, chaque structure de frittage étant éliminée au cours de la densification de la pièce brune. De préférence, chaque structure de support disposée entre la pièce verte et une structure de frittage est sous la forme d’une couche. Selon un mode de réalisation préféré de l’invention, l’élimination de chaque structure de support et l’élimination du liant de la pièce verte sont obtenues par dissolution dudit polymère thermoplastique par applications conjointes d’un acide et d’un traitement thermique. Il s’agit d’un déliantage catalytique. De préférence, le polymère thermoplastique est un polyoxyméthylène (POM). Il peut s’agir d’un polyoxyméthylène homopolymère, obtenu par polymérisation du formaldéhyde, ou d’un polyoxyméthylène copolymère, obtenu par polymérisation du formaldéhyde avec l’oxyde d’éthylène ou le dioxolane. Selon une variante préférée, le feedstock comporte 60% en volume de poudre et 40% en volume de liant, le composant majoritaire du liant étant le polyoxyméthylène (POM). Le principe selon l’invention consiste à réaliser, par la technique FFF, à la fois la pièce verte, la ou les structures de support, nécessaire(s) au soutien de la pièce verte au cours de sa fabrication, et la ou les éventuelles structures de frittage, en utilisant, pour chaque structure de support, un matériau de construction correspondant au polymère thermoplastique qui est le composant majoritaire du liant et qui fait office de vecteur de la poudre dans le feedstock utilisé pour la pièce verte et, pour chaque éventuelle structure de frittage, le même feedstock que celui utilisé pour la pièce verte. Le matériau de construction de chaque structure de support sera donc éliminé en même temps que le composant majoritaire de la pièce verte lors de l’étape de déliantage de la pièce verte. Cela permet : - d'éviter l’emploi d’un matériau support tiers pouvant contaminer la pièce verte ; - d’éviter de recourir à des paramétries d’impression de pièce et de structure de support très éloignées ; et - surtout d’éviter une étape supplémentaire d’enlèvement des structures de support post-impression, chronophage et risquant d’endommager la pièce. La solution proposée par l’invention est innovante, car l’enlèvement des structures de support est réalisé en temps masqué lors de l’opération de déliantage nécessaire aux pièces vertes imprimées avec du feedstock. Lorsqu’il y a une ou plusieurs structures de frittage, elles sont utilisées pour réaliser le frittage de la pièce déliantée (pièce brune) et sont éliminées au cours du frittage. Le procédé selon l’invention est applicable à toute pièce pouvant être fabriquée à partir de feedstock par fabrication additive FFF et nécessitant une ou plusieurs structures de support. Le procédé selon l’invention présente de nombreux avantages. La fabrication de la ou des structures de supports se fait pendant le processus d’impression de la pièce verte et dans des conditions de fabrication proches voire identiques de celles la pièce verte. En effet, la paramétrie développée spécifiquement pour le feedstock est similaire à celles des structures de support dans la mesure où les structures de support sont réalisées avec l’un de ses composés. Le feedstock et le matériau de chaque structure de support sont, de fait, parfaitement compatibles. L’élimination des structures de support est réalisée en temps masqué dans une opération déjà existante (déliantage) de la gamme post-impression des pièces vertes en feedstock. Ainsi, il n’y a pas de temps supplémentaire pour l’enlèvement des structures de support ni de gamme dédiée. Il en est de même lorsqu’il y a une ou plusieurs structures de frittages, puisqu’elles sont éliminées au cours du frittage de la pièce brune. D’autres avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront dans la description détaillée non limitative ci-dessous. Cette description sera faite au regard des dessins annexés parmi lesquels : est un schéma de principe du procédé FFF ; est une vue en perspective d’un exemple de réalisation d’une pièce verte et de sa structure de support, imprimées par fabrication additive FFF ; est une vue en perspective d’un autre exemple de réalisation d’une pièce verte, de sa structure de support et de sa structure de frittage, imprimées par fabrication additive FFF ; est une représentation schématique en coupe d’une étape d’un mode de réalisation de l’invention, à savoir l’étape de réalisation d’une pièce verte et de sa structure de support par impression conjointe par fabrication additive FFF de la pièce verte avec un feedstock contenant comme composant majoritaire un polymère thermoplastique et de la structure de support constituée de ce même polymère thermoplastique ; est une vue schématique en coupe de la pièce verte et de sa structure de support obtenues à l’issue de l’étape d’impression par fabrication additive FFF du procédé selon l’invention, illustrée dans la figure 3 ; est une vue schématique en coupe de la pièce brune obtenue à l’issue de l’étape de déliantage du procédé selon l’invention. DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE MODES DE RÉALISATION Dans le cadre de l’invention, on peut utiliser des feedstocks métalliques (par exemple, des feedstocks contenant des matériaux sous forme de poudre tels que les superalliages à base nickel ou cobalt, les aciers, les bases titane, cuivre, etc.) ou des feedstocks céramiques (par exemple, des feedstocks contenant des matériaux sous forme de poudre tels que SiC, Al 2 O 3 , ZrO 3 , etc.). Mais le liant de ces feedstocks doit comporter, comme composant principal, un polymère thermoplastique, qui pourra également être utilisé pour réaliser la (les) structure(s) de support. De préférence, on utilise des feedstocks dont le liant a, comme composant principal, du POM. En référence à la figure 3, on réalise, sur un plateau d’impression 2, une pièce verte 1 et sa structure de support 10, à l’aide d’un appareil d’impression comportant deux buses d’extrusion 5. L’ensemble {pièce verte 1 + structure de support 10} est représenté dans la figure 5a. On fait ensuite subir à cet ensemble {pièce verte 1 + structure de support 10} une étape de déliantage qui va permettre à la fois de supprimer le liant de la pièce verte et éliminer la structure de support. L’élimination de chaque structure de support se réalise en temps masqué au cours de l’élimination du composant principal du liant du feedstock. À l’issue de l’étape de déliantage, on obtient une pièce brune 11 (figure 5b) qui est poreuse et fragile. Pour être consolidée, la pièce brune doit ensuite être frittée. Pour rappel, le frittage est un traitement thermique effectué à une température inférieure à la température de fusion de la poudre constituant la pièce brune, de manière à densifier la pièce. Selon un mode de réalisation préféré de l’invention, on utilise un feedstock dont le liant thermoplastique est le polyoxyméthylène (POM) et on utilise également le polyoxyméthylène pour construire le ou les structures de support nécessaires à la construction de la pièce verte. De préférence, le liant thermoplastique étant le POM, l’étape de déliantage du procédé selon l’invention s’effectue sous acide nitrique et à une température comprise entre 115 et 125°C. Il s’agit d’un déliantage catalytique. Il est à noter que la température de fusion du POM est supérieure à cette température ; elle se situe généralement entre 164°C et 175°C. De manière connue, un feedstock est un mélange d’une poudre métallique ou céramique et d’un liant thermoplastique, le mélange contenant entre 50 et 65% en volume de poudre. De préférence, le feedstock selon l’invention est un mélange de 60% en volume d’une poudre métallique ou céramique et de 40% en volume de liant, le composant majoritaire du liant étant le polyoxyméthylène (POM). À titre d’exemple, on peut utiliser un feedstock dont le liant est composé de POM, comme composant majoritaire, de polypropylène (PP) comme composant secondaire et d’autres composés en proportions très faibles. Le POM va être éliminé au cours du déliantage de la pièce verte ; le PP, quant à lui, constitue le backbone de la pièce brune et est éliminé au cours de l’étape de frittage de la pièce brune. Pour illustrer le procédé selon l’invention, on réalise une pièce verte à l’aide d’une machine de fabrication additive FFF ayant deux buses d’extrusion. L’enceinte de fabrication de la machine peut être régulée en température à une température comprise entre 80 et 150°C, et plus précisément entre 110 et 130°C. Le filament de feedstock a un diamètre compris entre 1,5 et 2 mm. Dans cet exemple de réalisation, le liant du feedstock qu’on utilise comporte entre 7 et 10% massique de POM et la structure de support est constituée uniquement de POM. On peut réaliser uniquement une ou plusieurs structures de support, ainsi que la pièce verte. Selon un autre mode de réalisation, on peut également réaliser, en plus de la ou des structures de support 10 et de la pièce verte, une structure de frittage 12 pour chaque structure de support 10, chaque structure de support 10 étant sous la forme d’une couche disposée à l’interface entre la pièce verte et chaque structure de frittage 12, comme représenté dans la figure 3. Chaque structure de frittage 12 est réalisée en un feedstock identique à celui utilisé pour la pièce verte. La pièce verte peut comporter des ouvertures débouchantes, des canaux internes non débouchants ou les deux. Les structures de support 10 sont éliminées lors de l’opération de déliantage catalytique. S’il y a une ou plusieurs structures de frittage 12, celle(s)-ci subsiste(nt) à l’issue de l’opération de déliantage catalytique et peu(ven)t être utilisée(s) pour le frittage de la pièce. Chaque structure de frittage sera éliminée au cours de l’étape de frittage de la pièce déliantée. REFERENCE CITEE [1] US 10,035,298 B2 Procédé de fabrication d’une pièce métallique ou céramique, comprenant : - la réalisation par fabrication additive par dépôt de fil fondu d’une pièce verte (1) et d’au moins une structure de support (10) ayant une surface de contact avec la pièce verte, la pièce verte étant réalisée à partir d’un feedstock comprenant un liant et une poudre métallique ou céramique, le taux de charge de la poudre étant compris entre 50 et 65% en volume ; - l’élimination de chaque structure de support (10) ; - l’élimination du liant de la pièce verte (1) pour obtenir une pièce brune (11) ; - la densification de la pièce brune par frittage ; caractérisé en ce que chaque structure de support est constituée d’un polymère thermoplastique qui est également présent comme composant majoritaire dans le liant de la pièce verte, l’élimination de chaque structure de support et l’élimination du liant de la pièce verte étant concomitantes. Procédé selon la revendication 1, comprenant en outre, au cours de la réalisation de la pièce verte et de chaque structure de support (10), la réalisation par fabrication additive par dépôt de fil fondu d’au moins un support de frittage (12), une structure de support (10) étant disposée entre chaque support de frittage (12) et la pièce verte (1), chaque structure de frittage (12) étant en un feedstock identique au feedstock de la pièce verte, chaque structure de frittage étant éliminée au cours de la densification de la pièce brune. Procédé selon la revendication 2, dans lequel chaque structure de support (10) disposée entre la pièce verte (1) et une structure de frittage (12) est sous la forme d’une couche. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel l’élimination de chaque structure de support et l’élimination du liant de la pièce verte sont obtenues par dissolution dudit polymère thermoplastique par applications conjointes d’un acide et d’un traitement thermique. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le polymère thermoplastique est un polyoxyméthylène (POM). Procédé selon la revendication 5, dans lequel le feedstock comporte 60% en volume de poudre et 40% en volume de liant, le composant majoritaire du liant étant le polyoxyméthylène (POM).