Brevet FR3141373A1 — publié le 20240503

Procédé (10) de fabrication d’un moule (BM) comprenant une étape (13) de fabrication additive par extrusion d’une matière fondue à partir de granulés (G) ou d’un filament de matière comprenant un liant (L) et d’une poudre métallique (P) pour la réalisation d’une pièce intermédiaire (PV) comprenant au moins un canal interne, - une étape (14) de déliantage lors de laquelle le liant (L) est extrait au moins en partie de la pièce intermédiaire (PV) pour la réalisation d’une pièce semi-finie (PM), et - une étape (15) de frittage de la pièce semi-finie (PM) pour l’obtention du moule (BM). Figure pour l’abrégé : Fig 1 : Procédé de fabrication d’un moule comprenant au moins un canal de refroidissement La présente invention concerne le domaine de la fabrication additive d’un moule. Plus particulièrement, l’invention concerne la fabrication d’un moule comprenant des canaux internes de refroidissement ou de « conformal cooling » en termes anglosaxons qui sont situés au plus près de la surface moulante dudit moule. On connait les moules d’injection plastique ou d’estampage à chaud qui comprennent des canaux de refroidissement afin de garantir le contrôle de la température de la surface du moule et ainsi un meilleur état de surface de la pièce moulée et une meilleure productivité. Il est connu d’utiliser la fabrication additive pour réaliser des éléments de géométrie complexe qui ne sont pas réalisable en fabrication soustractive. On peut se référer aux technologies connues sous le nom de fusion laser sélective, de fabrication additive fil ou encore de fabrication additive par projection de liant. La fusion laser sélective ou « selective laser melting », d’acronyme SLM en termes anglosaxons est particulièrement précise mais très couteuse limitant son utilisation pour la réalisation de canaux de refroidissement de bruts de moule. Il n’est par ailleurs pas possible de réaliser des ponts de matière pour réaliser des canaux de section rectangulaire avec ce type de fabrication additive. Cette technologie nécessite par ailleurs une très bonne gestion de la poudre métallique, ce qui génère un coût de fabrication important. Pour plus de détails, on peut par exemple se référer à cet égard au document CN 108788148 qui décrit cette technologie de fabrication additive par fusion laser sélective. La fabrication additive fil ou « wire additive manufacturing », d’acronyme WAM en termes anglosaxons consiste à déposer des cordons de soudure par empilement pour la réalisation d’une pièce. Là encore, il n’est pas non plus possible de réaliser des ponts de matière pour réaliser des canaux de section rectangulaire avec ce type de fabrication additive. On peut se référer à cet égard au document CN 108480821 qui décrit un exemple de technologie de fabrication additive fil. La fabrication additive par projection de liant ou « binder jetting » en termes anglo-saxons consiste à projeter un liant sur un bac de poudre afin de réaliser une pièce. Cette technologie permet la création de géométrie en surplomb, la poudre non liée servant de support. Toutefois, il est nécessaire de supprimer la poudre restante ce qui pose des problèmes d’hygiène, sécurité et environnement. On connait également la fabrication d’une pièce en utilisant la technologie moulage par injection de métal, ou « metal injection molding », d’acronyme MIM en termes anglosaxons, lors de laquelle on utilise une matière première comprenant un polymère chargé à 80% de particules métalliques et on injecte ladite matière première dans un moule spécifique avec une presse à injection. La pièce ainsi obtenue est une pièce dite « verte » c’est-à-dire une pièce qui est maintenue en place par le liant. La pièce verte doit ensuite subir dans des installations dédiées, un déliantage, c’est-à-dire la suppression du liant, puis un frittage dans lequel la pièce est soumise à une température proche du point de fusion des particules métalliques afin de permettre aux grains de se souder entre eux et de créer une pièce solide. Cette technologie est utilisée pour des petites pièces de longueur inférieure ou égale à 100 mm. Par ailleurs, une telle technologie nécessite la fabrication d’un moule spécifique pour l’injection de la matière première afin d’obtenir la pièce verte. Cette technologie n’est donc pas envisageable pour fabriquer un moule d’injection de pièces plastiques. En effet, il faudrait réaliser d’abord ce moule spécifique pour fabriquer ensuite le moule d’injection, ce qui augmente le coût et le temps de fabrication, ainsi que la quantité de matière totale utilisée. Ainsi, il existe un besoin d’améliorer la fabrication d’un moule comprenant des canaux de refroidissement. L’objectif de l’invention est de proposer un procédé de fabrication d’un moule comprenant au moins un canal de refroidissement à faible coût, sans nécessiter d’étapes de suppression de poudres métalliques et permettant la réalisation d’un ou de canaux de refroidissement pouvant présenter une section circulaire, elliptique ou rectangulaire. La présente invention a pour objet un procédé de fabrication d’un moule pour le moulage par injection, par exemple d’un matériau thermoplastique. Le procédé comprend les étapes successives suivantes : - une étape de fabrication additive par extrusion d’une matière fondue, appelée « fused deposition modeling », d’acronyme FDM en termes anglo-saxons à partir des granulés ou d’un filament de matière comprenant au moins un liant et une poudre métallique pour la réalisation d’une pièce intermédiaire ou pièce dite « verte » comprenant au moins un canal interne, - une étape de déliantage lors de laquelle le liant est extrait au moins en partie de la pièce intermédiaire pour la réalisation d’un pièce semi-finie ou pièce dite « marron », et - une étape de frittage de la pièce semi-finie pour l’obtention du moule. Par « pièce intermédiaire » ou « pièce verte », on entend un objet ou pièce qui est maintenue en forme par le liant. Par « canal interne », on entend un canal ménagé dans l’épaisseur de la pièce verte. Lors de l’utilisation du moule après sa fabrication, le canal interne forme un canal de refroidissement du moule. Par « filament », on entend un élément de forme fine et allongée, tel qu’un fil. De préférence, tout le liant est retiré lors de l’étape de déliantage. L’étape de déliantage peut par exemple être réalisée par voie thermique, aqueuse ou chimique, pour obtenir la pièce semi-finie ou pièce marron. La pièce semi-finie est maintenue en forme par les restes de liants et est composée à environ 40% d’air, ce qui la rend très fragile. Pour l’étape de frittage, la pièce semi-finie peut être soumise à une température inférieure de 5°K à 100°K de la température de fusion de la poudre métallique afin de permettre à la poudre métallique de se souder pour former le moule. De manière nullement limitative, le moule peut être utilisé dans l’industrie automobile, par exemple pour la fabrication de pare-chocs. Le moule obtenu grâce au procédé de fabrication selon l’invention possède une bonne qualité de surface et comprend un ou plusieurs canaux internes de refroidissement pouvant par exemple être de section circulaire, elliptique ou rectangulaire, ce qui permet d’améliorer l’échange thermique et donc un meilleur refroidissement du moule lors de l’injection d’une matière thermoplastique. Par ailleurs, un tel procédé de fabrication ne nécessite pas la réalisation d’un moule supplémentaire dédié spécifiquement à la fabrication du moule et permet la réalisation de formes complexes, tout en conservant un état de surface satisfaisant. Avantageusement, le procédé comprend, avant l’étape de fabrication additive, une étape de mélange d’un liant et d’une poudre métallique pour l’obtention d’un mélange et une étape de réalisation de granulés ou du filament à partir dudit mélange. Par exemple, l’étape de réalisation de granulés est réalisée par extrusion puis découpage en paillettes ou granulés. Par exemple, la quantité de poudre métallique contenue dans les granulés ou du filament est comprise entre 40% et 85%, par exemple comprise entre 60% et 80%, par exemple égale à 80% de la quantité totale des granulés ou du filament. Le liant peut être choisi dans le groupe comprenant un polymère, tel que par exemple un thermoplastique, tel que par exemple du polyéthylène (PE), ou du polypropylène (PP), une paraffine (PA), du polyéthylène glycol (PEG), ou de l’acide stéarique (SA). A titre illustratif et de manière nullement limitative, on pourrait utiliser une des matières métalliques suivantes : de l’acier, par exemple de l’acier H13 ou de l’acier P20, de l’inox, par exemple de l’inox 316L ou de l’inox 17-4PH. Par exemple, le moule comprend un état de surface rugueux avec une rugosité moyenne de surface arithmétique inférieure ou égale à 3.2 μm. Avantageusement, l’étape de fabrication additive est réalisée au moyen d’un dispositif de fabrication additive d’au moins un objet tridimensionnel comprenant un extrudeur comprenant une vis sans fin configurée pour réaliser un jonc de matière fondue à partir des granulés de matière ou un dispositif utilisant un filament. Par exemple, le dispositif de fabrication additive peut utiliser une buse d’impression configurée pour calibrer le diamètre du jonc de matière fondue. La variation dimensionnelle entre le moule obtenu et la pièce intermédiaire est, par exemple, comprise entre 10% et 30%, de préférence égale à 20%. Selon un mode de réalisation, le procédé comprend une étape supplémentaire de reprise du moule pour obtenir une rugosité moyenne de surface arithmétique inférieure à 1.5µm. D’autres buts, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif, et faite en référence à la annexée qui représente schématiquement un procédé 10 de fabrication d’un de moule selon l’invention. Tel qu’illustré, le procédé 10 de fabrication comprend les étapes nécessaires à la fabrication d’un moule BM comprenant un ou plusieurs canaux de refroidissement (non représentés) ou de « conformal cooling » en termes anglosaxons au voisinage de la surface moulante dudit moule. Par « moule », on entend un moule à l’état brut dont l’état de surface est rugueux avec une rugosité moyenne de surface arithmétique Ra inférieure à 3.2μm. Le moule BM comprenant des canaux de refroidissement est ensuite utilisé pour le moulage par injection d’un matériau thermoplastique ou thermodurcissable. De manière nullement limitative, le moule BM peut être utilisé dans l’industrie automobile, par exemple pour la fabrication de pare-chocs. Le procédé 10 de fabrication d’un moule BM comprend une première étape 11 de mélange d’un liant L, et d’un matière métallique P, par exemple sous forme de poudre pour l’obtention d’un mélange M. Par exemple, la quantité de matière métallique P contenue dans le mélange est comprise entre 40% et 85%, par exemple comprise entre 60% et 80%, par exemple égale à 80% de la quantité totale du mélange M. Le liant L comprend, par exemple, un polymère, par exemple un thermoplastique, tel que par exemple du polyéthylène (PE), ou du polypropylène (PP), ou encore une paraffine (PA), du polyéthylène glycol (PEG), ou de l’acide stéarique (SA). Le mélange M est ensuite extrudé puis découpé en granulés G à l’étape 12. En variante, on pourrait prévoir de réaliser un filament à partir du mélange M. Les granulés G ou le filament sont ensuite introduits, à l’étape 13, dans un dispositif (non représenté) de fabrication additive par extrusion d’une matière fondue, appelée « fused deposition modeling », d’acronyme FDM en termes anglo-saxons. Par exemple, le dispositif de fabrication additive comprend un extrudeur comprenant une vis sans fin, par exemple une mono-vis sans fin, configurée pour réaliser un jonc de matière fondue à partir des granulés G ou le filament. Le dispositif de fabrication additive peut également utiliser une buse d’impression configurée pour calibrer le diamètre du jonc de matière fondue. Un tel extrudeur est généralement déplacé dans l’espace, à l’aide d’un système piloté par une unité de commande électronique afin de déposer la matière extrudée sur un plateau de réception. On pourrait utiliser d’autres techniques d’impression d’objets par fabrication additive par extrusion d’une matière fondue. La pièce obtenue après l’étape 13 d’extrusion de matière fondue est nommée pièce intermédiaire ou « pièce verte » PV puisque la pièce nécessite des traitements additionnels. La pièce intermédiaire PV comprend un ou plusieurs canaux de refroidissement. Les canaux de refroidissement sont des canaux internes présents dans l’épaisseur de la pièce intermédiaire PV. La pièce intermédiaire PV comprend une surface extérieure (non représentée) destinée à former une surface de moulage du moule en cours de fabrication. Les canaux de refroidissement sont situés à proximité de cette surface de moulage. On extrait ensuite au moins en partie ce liant L, à l’étape 14 dite de déliantage, réalisée par exemple par voie thermique, aqueuse ou chimique, pour obtenir une pièce semi-finie ou pièce dite « marron » PM. De préférence, tout le liant est retiré lors de l’étape 14 de déliantage. Cette pièce semi-finie PM est composée à environ 40% d’air, ce qui la rend très fragile. La pièce semi-finie PM est ensuite frittée, à l’étape 15 de frittage pour la réalisation d’un moule BM. Lors de l’étape de frittage, la pièce semi-finie PM est par exemple soumise à une température inférieure de 5°K à 100°K de la température de fusion de la poudre métallique P afin de permettre à la poudre métallique de se souder pour former le moule BM solide. La variation dimensionnelle entre le moule BM obtenu et la pièce intermédiaire PV est comprise entre 10% et 30%, par exemple égale à 20%. Le moule BM obtenu grâce au procédé de fabrication 10 décrit possède une bonne qualité de surface et comprend des canaux de refroidissement de section circulaire, elliptique ou rectangulaire, ce qui permet d’améliorer l’échange thermique et donc un meilleur refroidissement du moule lors de l’injection d’une matière thermoplastique. En variante, on pourrait prévoir une étape supplémentaire de reprise du moule afin de lui conférer une rugosité inférieure à 1.5µm. Par ailleurs, un tel procédé de fabrication ne nécessite pas la réalisation d’un moule supplémentaire pour la fabrication du moule et permet la réalisation de formes complexes, tout en conservant un état de surface satisfaisant. Dans l’exemple de réalisation décrit, le procédé 10 de fabrication comprendre les étapes 11 de mélange du liant L et de la matière métallique P, et l’étape 12 de fabrication des granulés ou du filament. En variante, le procédé pourrait par exemple débuter à partir de l’étape 13 de fabrication additive par extrusion lorsque les granulés ou le filament ont été fabriqués préalablement sur un autre site de production dédié. Procédé (10) de fabrication d’un moule (BM) pour le moulage par injection comprenant : - une étape (13) de fabrication additive par extrusion d’une matière fondue à partir de granulés (G) ou d’un filament comprenant au moins un liant (L) et une poudre métallique (P) pour la réalisation d’une pièce intermédiaire (PV) comprenant au moins un canal interne, - une étape (14) de déliantage lors de laquelle le liant (L) est extrait au moins en partie de la pièce intermédiaire (PV) pour la réalisation d’une pièce semi-finie (PM), et - une étape (15) de frittage de la pièce semi-finie (PM) pour l’obtention du moule (BM). Procédé (10) selon la revendication 1, comprenant avant l’étape (13) de fabrication additive : - une étape (11) de mélange d’un liant (L) et d’une poudre métallique (P) pour l’obtention d’un mélange (M), et - une étape (12) de réalisation des granulés (G) ou du filament à partir dudit mélange (M). Procédé (10) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la quantité de matière métallique (P) contenue dans les granulés (G) ou du filament est comprise entre 40% et 85%, par exemple comprise entre 60% et 80%, et notamment égale à 80% de la quantité totale des granulés (G) ou du filament. Procédé (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le liant (L) est choisi dans le groupe comprenant un polymère, une paraffine (PA), du polyéthylène glycol (PEG), ou de l’acide stéarique (SA). Procédé (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le moule (BM) présente un état de surface rugueux avec une rugosité moyenne de surface arithmétique (Ra) inférieure ou égale à 3.2μm. Procédé (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’étape (13) de fabrication additive est réalisée au moyen d’un dispositif de fabrication additive d’au moins un objet tridimensionnel comprenant un extrudeur comprenant au moins une vis sans fin configurée pour réaliser un jonc de matière fondue à partir des granulés (G) ou du filament. Procédé (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la variation dimensionnelle entre le moule obtenu (BM) et la pièce intermédiaire (PV) est comprise entre 10% et 30%, de préférence égale à 20%. Procédé (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant une étape supplémentaire de reprise du moule (BM) pour conférer audit moule (BM) une rugosité moyenne de surface arithmétique (Ra) inférieure ou égale à1.5µm.