Brevet FR3158250A1 — publié le 20250718

L’invention concerne un procédé de consolidation et de densification par compression isostatique à froid d’un élément (10) préformé à partir d’au moins une poudre. Selon l’invention, le procédé CIPW comprend : une étape d’ensachage (S2) de l’élément durant laquelle l’élément est plongé dans un matériau transmetteur de pression (12) au sein d’un sachet (14), une étape de scellage (S4) durant laquelle le sachet est scellé hermétiquement, une étape de compression (S6) durant laquelle le sachet scellé est compressé par compression isostatique. Figure pour l’abrégé : Fig. 2 Procédé de densification et de consolidation d’un élément par pressage isostatique La présente invention concerne de manière générale un procédé de densification et de consolidation d’un élément. Plus particulièrement, le procédé est mis en œuvre par pressage isostatique d’un élément préformé à partir d’au moins une poudre métallique. L’invention trouve une application particulièrement avantageuse dans la réalisation d’objets de forme complexe et/ou à trois dimensions, préformés à partir de poudre métallique ou de plusieurs poudres pour un multimatériaux ou un composite à matrice métallique, ou « cmm » selon l’acronyme couramment utilisé. Arrière-plan technologique La fabrication additive est un procédé de création d’éléments tridimensionnels à partir d’un fichier numérique contenant une modélisation de l’élément à réaliser. Ce procédé consiste en la fabrication couche par couche de l’élément à partir de matière plastique, de métal ou de céramique et permet la réalisation d’éléments de forme complexe. Cette fabrication additive peut être réalisée à partir d’un bain de poudres contenant au moins un métal. Mais l’élément obtenu par un tel procédé est extrêmement fragile. La fragilité de l’élément obtenu est d’autant plus grande que la forme de l’élément est complexe. Conséquemment, il existe un besoin en termes de procédés permettant de consolider et de densifier un élément de forme complexe obtenu à partir de poudre. Cependant, les difficultés inhérentes à l’instabilité d’un objet réalisé à partir de poudre rendent complexe la mise en œuvre de tels procédés. L’une des solutions connues à ce problème consiste à procéder à la fabrication additive de l’élément de forme complexe à réaliser non pas à partir d’un bain de poudre mais à partir de fils métalliques intégrant une matrice polymérique. L’élément de forme complexe réalisé par ce procédé doit cependant être ensuite consolidé et densifié. L’élément doit également subir une élimination des matrices polymériques et autres additifs intégrées aux fils métalliques. La consolidation et la densification de l’élément de forme complexe ainsi que l’élimination des matrices polymériques sont réalisées par traitement thermique (ce qui conduit à la formation d’alliages dans le cas de plusieurs poudres métalliques) sous vide ou sous atmosphère neutre pour éviter la formation d’oxydes, ce qui rend un tel procédé complexe et couteux. De plus, l’élimination de la matrice polymérique durant le traitement thermique peut être imparfaite, ce qui conduit à la présence de résidus carbonés, voire à la subsistance de chaines de polymères après la réalisation du traitement thermique. Des problèmes de porosité peuvent également apparaître, conséquence de l’élimination de la matrice polymérique durant le traitement thermique. Enfin, ce procédé ne permet pas la création d’un objet à partir d’un bain de poudre contenant au moins un métal. Une autre solution connue, permettant de s’affranchir du recours à une matrice polymérique au sein de fils métalliques, consiste à procéder à un traitement sous faisceau laser de l’élément obtenu par fabrication additive à partir d’un bain de poudre contenant au moins un métal. L’exposition au faisceau laser des grains de poudre constituant l’élément de forme complexe provoque leur fusionnement et permet d’obtenir la consolidation et la densification de l’élément. Cependant, le traitement thermique induit par l’exposition au faisceau laser des grains de poudre conduit à la formation d’oxydes et/ou d’alliages métalliques en surface et au sein de l’élément. Pour limiter la formation d’oxydes, le traitement par exposition à un faisceau laser doit être réalisé sous vide ou sous atmosphère neutre. La formation d’alliage ne peut cependant totalement être évitée durant un tel procédé de consolidation et de densification. De plus, la mise en place d’un tel procédé est couteuse, complexe et longue. L’invention a pour but de proposer une solution à ces problèmes et de permettre de consolider et de densifier un élément préformé par fabrication additive à partir d’un bain de poudre sans provoquer la formation d’oxydes métalliques et d’alliages au sein ou en surface dudit élément. L’invention porte plus précisément sur un procédé, que l’on nomme CIPW « Cold Isostatic Pressure Welding », de consolidation et de densification d’un élément préformé à partir d’au moins une poudre, le procédé comprenant : une étape d’ensachage de l’élément durant laquelle l’élément est plongé dans un matériau transmetteur de pression au sein d’un sachet, une étape de scellage durant laquelle le sachet est scellé hermétiquement, une étape de compression durant laquelle le sachet scellé est compressé par compression isostatique. Le procédé de consolidation et de densification proposé permet de réaliser à partir d’au moins une poudre, des éléments présentant une densité et une solidité suffisante sans avoir recours à un traitement thermique complexe et onéreux. Lorsque la au moins une poudre est une poudre métallique, le procédé permet également d’éviter la formation d’oxydes et d’alliages, en surface et au sein de l’élément. Ce procédé CIPW permet la consolidation et densification de composites à matrice métallique comprenant un matériau thermo-dégradable parce que réalisé à faible température, par exemple à température ambiante ou à une température proche de la température ambiante. Ce procédé CIPW conduit à la consolidation et densification de multimatériaux, d’au moins deux poudres métalliques de propriétés très différentes, telles que leurs températures de fusion ; grâce au soudage des grains, initié par leur écrouissage. Ce procédé CIPW permet l’ajustement de la densification pour l’obtention d’un élément plus ou moins poreux adapté à l’application envisagée. Ce procédé CIPW permet d’éviter le traitement de désoxydation de la couche d’oxyde dépendant de la composition chimique et la taille des grains. Le soudage est d’autant plus efficace par à un écrouissage induisant un craquelage important de cette couche d’oxyde. L’utilisation d’un matériau transmetteur de pression permet une transmission homogène, de façon isotrope de la pression appliquée au sachet à l’élément, ce qui permet la consolidation et de la densification de l’élément sans endommager celui-ci. D’autres caractéristiques avantageuses et non limitatives du procédé conforme à l’invention, prises individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles, sont les suivantes : l’élément est de forme complexe. l’élément est préformé à partir d’au moins une poudre métallique. la au moins une poudre métallique utilisée pour préformer l’élément comprend un ou plusieurs métaux différents, ou une poudre de composite à matrice métallique ou une poudre de multi-matériaux comprenant au moins deux métaux, et est préformé à partir d’au moins deux poudres ou d’une poudre issue du mélange des deux. l’élément est préformé par fabrication additive ou par moulage ou par compression. le procédé comprend en outre une étape d’élimination durant laquelle le matériau transmetteur de pression recouvrant l’élément est éliminé par immersion dans un liquide, soumis à des ultrasons pour accélérer son élimination. le liquide utilisé durant l’étape de nettoyage comprend de l’eau. l’étape de compression est réalisée à température ambiante. la dureté du matériau transmetteur de pression est supérieure à la dureté de l’élément. la granulométrie du matériau transmetteur de pression est supérieure ou égale à 10 nm et inférieur ou égale à 10 mm. Le matériau transmetteur de pression est du sucre ou du sel. Les différentes caractéristiques, variantes et formes de réalisation de l'invention peuvent être associées les unes avec les autres selon diverses combinaisons dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes des autres. Brève description des figures De plus, diverses autres caractéristiques de l'invention ressortent de la description annexée effectuée en référence aux dessins qui illustrent des formes, non limitatives, de réalisation de l'invention et où : FIG. 1 est un schéma fonctionnel d’un sachet 14 contenant un élément 10 et un matériau transmetteur de pression 12, et auquel peut être appliqué le procédé CIPW décrit à la FIG. 2 . FIG. 2 est un schéma récapitulatif d’un procédé de consolidation et de densification d’un élément 10 selon un mode de réalisation conforme à l’invention. Les étapes représentées en pointillés sont optionnelles. Il est à noter que sur ces figures les éléments structurels et/ou fonctionnels communs aux différentes variantes peuvent présenter les mêmes références. Diverses autres modifications peuvent être apportées à l’invention dans le cadre des revendications annexées. Procédé L’invention concerne un procédé CIPW de consolidation et de densification d’un élément 10 représenté à la FIG. 1 . L’élément 10 est préformé à partir d’au moins une poudre, ici une seule poudre. Le procédé, représenté à la FIG. 2 , comprend les étapes suivantes : une étape d’ensachage S2 de l’élément 10 durant laquelle l’élément 10 est plongé dans un matériau transmetteur de pression 12 au sein d’un sachet 14, une étape de scellage S4 durant laquelle le sachet 14 est scellé hermétiquement, une étape de compression S6 durant laquelle le sachet scellé 14 est compressé par compression isostatique. Dans le mode de réalisation considéré, l’élément 10 est une pièce de forme simple ou complexe. L’élément 10 peut être bidimensionnel ou tridimensionnel. Par bidimensionnel, il est entendu que l’élément 10 présente une troisième dimension, par exemple une hauteur, très petite par rapport aux deux autres dimensions, par exemple une longueur et une largeur. Une pastille de faible épaisseur par rapport à son rayon est par exemple un objet bidimensionnel. Par forme complexe, il est entendu que l’élément 10 est défini par un grand nombre de paramètres, par exemple supérieur à 3, comme par exemple, deux rayons, une hauteur, un angle et une équation mathématique entre les deux rayons, la hauteur et l’angle. A titre d’exemple, une pastille n’est pas un objet de forme complexe si elle ne présente pas de détails en surface, comme par exemple des reliefs, et un quadrillage tridimensionnel est une forme complexe. Par préformé, il est entendu que l’élément 10 est réalisé préalablement à l’étape d’ensachage S2 par fabrication additive ou par moulage ou par compression. Préférentiellement, l’élément 10 est préformé à partir d’au moins une poudre métallique. Par poudre métallique, on entend un métal pur ou un alliage métallique En variante, l’élément 10 comprend plusieurs métaux ou est un composite à matrice métallique ou un multi-matériaux comprenant au moins deux métaux, formé à partir d’au moins deux poudres ou de la poudre du mélange des métaux. Durant l’étape d’ensachage S2, l’élément 10 est plongé dans un matériau transmetteur de pression 12 au sein d’un sachet 14. Durant l’étape d’ensachage S2, l’élément 10 est recouvert par le matériau transmetteur de pression 12 de telle sorte que, au sein du sachet 14, l’élément 10 ne soit pas en contact avec la surface intérieure du sachet 14. Le matériau transmetteur de pression 12 est choisi pour épouser la forme de l’élément 10 et permettre une transmission homogène de pression du sachet 14 à l’élément 10 lorsque ladite pression est appliquée au sachet 14. Le matériau transmetteur de pression 12 est également choisi pour être soluble ou fusible, abondant ou courant, naturel ou sans impact écologique, non toxique ou de qualité alimentaire, et ne pas induire de réaction chimique entre le matériau transmetteur de pression 12 et le matériau constituant l’élément 10 et entre le matériau transmetteur de pression 12 et le matériau constituant les surfaces intérieures du sachet 14. Préférentiellement, le matériau transmetteur de pression 12 est du sucre ou du sel, par exemple du sucre raffiné ou de la farine de sel. Par sucre, il est entendu sucre de table et par sel, il est entendu chlorure de sodium. En variante, le matériau transmetteur de pression 12 est un composé inorganique naturel, par exemple du chlorure de potassium ou du chlorure de magnésium, ou un composé synthétique, par exemple du chlorate de potassium, du chlorate de sodium, du perchlorate de potassium, du perchlorate de sodium, de l’hydroxyde de potassium, de l’hydroxyde de sodium ou un composé organique naturel, par exemple de la farine de maïs. Dans le mode de réalisation considéré, le matériau transmetteur de pression 12 a une dureté préférentiellement supérieure à la dureté de l’élément 10. Avantageusement, cela permet une bonne transmission de la pression appliquée au sachet 14 à l’élément 10 et permet d’éviter l’incrustation du matériau transmetteur de pression 12 en surface de l’élément 10. Avantageusement, la dureté supérieure du matériau transmetteur de pression 12 par rapport à celle de l’élément 10 permet de réaliser l’écrouissage de la surface de l’élément 10 durant l’étape de compression S6 décrit ci-après. Avantageusement, cela permet également, lorsque l’élément 10 est constitué par exemple d’aluminium, de briser la couche d’oxyde d’aluminium recouvrant en surface les grains d’aluminium durant le soudage des grains pendant l’étape de compression S6. Préférentiellement, la granulométrie du matériau transmetteur de pression 12 est égale ou supérieure à 10 nm et inférieure ou égale à 10 mm. Avantageusement, la finesse des grains du matériau transmetteur de pression 12, adaptée à la finesse des détails de l’élément préformé, permet une transmission homogène de la pression appliquée au sachet 14 à l’élément 10 et de ne pas endommager l’élément 10. Le sachet 14 est par exemple réalisé en matière polymérique telle que du polyéthylène ou dans un matériau biodégradable à base d’amidon. Durant l’étape de scellage S4, le sachet 14 est scellé hermétiquement de telle sorte qu’il ne puisse y avoir de fuite de l’intérieur vers l’extérieur du sachet 14 du matériau transmetteur de pression 12. Durant le scellage hermétique du sachet 14, l’air peut être préalablement évacué du sachet 14 pour éviter la formation de soufflures ou de porosités au sein de l’élément 10. L’étape de scellage S4 permet également d’éviter que du liquide ne puisse pénétrer dans le sachet 14 lors de l’étape de compression S6 décrite ci-après. Selon le mode de réalisation considéré, durant l’étape de compression S6, le sachet 14 est soumis à un procédé de pressage isostatique. Durant le procédé de pressage isostatique, la pression est, par exemple, égale ou supérieure à 10 MPa et inférieure ou égale 600 MPa. Le procédé de pressage isostatique est réalisé en utilisant un fluide de compression liquide tel que de l'eau, de l'huile ou un mélange de glycol. Durant l’étape de compression S6, le sachet 14 est immergé dans le liquide contenu dans une cuve soumise à une haute pression. La pression isostatique appliquée sur les surfaces de la cuve est transmise au liquide qui transmet de manière isostatique les forces isotropes au sachet 14. Les forces isotropes appliquées au sachet 14 sont transmises à leur tour à l’élément 10 par le biais du matériau transmetteur de pression 12. Selon le mode de réalisation considéré, le procédé de pressage isostatique utilisé durant l’étape de compression S6 est un procédé de pressage isostatique à froid. Par pressage isostatique à froid, il est entendu que le procédé de pressage isostatique est réalisé à faible température, préférentiellement à température ambiante ou à une température proche de la température ambiante, par exemple, à une température T telle que avec T amb la température ambiante. Avantageusement, le procédé CIPW de consolidation et de densification permet de consolider et de densifier une pièce, par exemple l’élément 10. Au niveau microscopique, il est ainsi observé un soudage à froid des grains de l’élément 10 ou « cold welding » selon le terme anglo-saxon couramment utilisé. Avantageusement, l’utilisation du matériau transmetteur de pression 12 permet de préserver l’intégrité de l’élément 10, tout particulièrement lorsque celui-ci est de forme complexe, et ainsi d’éviter sa destruction durant l’étape de compression S6. Le procédé, CIPW « cold isostatic pressure welding » peut être réalisé tel que décrit précédemment ou bien en prétraitement préalable à un traitement thermique ou bien avant la modification de la géométrie de la pièce, par exemple par enlèvement et/ou ajout de matière. Avantageusement, le procédé CIPW de consolidation et de densification permet d’élaborer des matériaux métalliques ou des composites à matrice métallique ou des multi-matériaux de plusieurs métaux et/ou de forme complexe, sans avoir recours à un traitement thermique. L’absence de traitement thermique permet de supprimer le coût énergétique lié au traitement thermique de consolidation et, conséquemment, permet de diminuer le coût de fabrication lié à la réalisation de pièces de forme complexe à partir d’au moins une poudre contenant au moins un métal. Avantageusement, la réalisation du procédé de densification et de consolidation à température ambiante ou à une température proche de la température ambiante permet d’éviter la formation d’alliages et d’oxydes. Dans le cas de l’utilisation de plusieurs métaux dans la réalisation de l’élément 10, cela permet d’obtenir de véritables composites. Avantageusement, la réalisation du procédé de consolidation et de solidification à température ambiante ou à une température proche de la température ambiante permet d’appliquer le procédé à des composites comprenant des matériaux thermo-sensibles. Avantageusement, le procédé CIPW de consolidation et de densification est éco-compatible. D’une part, de par l’absence de traitement thermique dans le procédé de consolidation et de densification dans la réalisation de l’élément 10. D’autre part, de par l’utilisation de matériau naturel ou de qualité alimentaire, par exemple du sucre, comme matériau transmetteur de pression 12, le procédé de consolidation et de densification présente un faible impact écologique lors de l’élimination S8 du matériau transmetteur de pression 12 décrit ci-après. De par l’utilisation de matériau naturel ou de qualité alimentaire comme matériau transmetteur de pression 12, le procédé de consolidation et de densification est également biocompatible. Un tel procédé peut donc être avantageusement utilisé dans la fabrication d’objets destinés à être en contact direct, bref ou prolongé, avec les tissus et les fluides internes d’un organisme vivant. Préférentiellement, l’étape de compression S6 est suivi d’une étape d’élimination S8. Durant l’étape d’élimination S8, le sachet 14 est ouvert puis l’élément 10 recouvert du matériau transmetteur de pression 12 est sorti du sachet 14 et immergé dans un liquide, par exemple de l’eau, soumis à des ultrasons. Avantageusement, l’élimination du matériau transmetteur de pression 12 de la surface de l’élément 10 par immersion dans un liquide soumis à des ultrasons permet d’accélérer son élimination S8. Préférentiellement, l’étape d’élimination S8 est réalisée à température ambiante ou une température proche de la température ambiante. Avantageusement, l’utilisation de sel, par exemple du sel de table ou de sucre, par exemple du sucre de table, comme matériau transmetteur de pression 12 facilite l’élimination du matériau transmetteur de pression 12 par sa dissolution durant l’étape d’élimination S8, ce qui permet d’éviter que l’élément 10 soit endommagé durant l’étape d’élimination S8 et permet d’éviter la présence de résidus en surface de l’élément 10 après l’étape d’élimination S8. Avantageusement, l’utilisation d’eau pour l’élimination du matériau transmetteur de pression 12 durant l’étape d’élimination S8 renforce la dimension éco-compatible du procédé de consolidation et de densification. L’invention propose également un produit programme d'ordinateur comprenant une ou plusieurs séquences d'instructions qui sont accessibles à un processeur et qui, lorsqu'elles sont exécutées par ledit processeur, amènent ledit processeur à mettre en œuvre un procédé selon l’un des modes de réalisation possibles, par exemple, un procédé tel que décrit supra en référence à la FIG. 2 . L’invention propose également un support de stockage d'informations non transitoire, dans lequel on stocke une ou plusieurs séquences d'instructions accessibles à un processeur et qui, lorsqu'elles sont exécutées par ledit processeur, amènent ledit processeur à mettre en œuvre un procédé selon l’un des modes de réalisation possibles. Il convient de noter que tout ou partie des opérations des diverses méthodes dans lesquelles les réalisations ci-dessus peuvent être comprises par l’homme du métier peuvent être accomplies en donnant des instructions au matériel concerné par le biais du programme d'ordinateur, et le programme d'ordinateur peut être stocké dans le support de stockage lisible par ordinateur, qui peut inclure, sans s'y limiter : une mémoire morte (ROM), une mémoire vive (RAM), un disque, un CD ou un unité mémoire ayant une fonction similaire. Bien entendu, les différentes caractéristiques, variantes et formes de réalisation de l'invention peuvent être associées les unes avec les autres selon diverses combinaisons dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes des autres. Variantes La présente invention n’est nullement limitée au mode de réalisation décrit et représenté, mais l’homme du métier saura y apporter toute variante conforme à l’invention. Dans une variante de l’invention, l’élément 10 est un multi-matériaux comprenant un métal et un autre matériau non métallique. Dans une variante de l’invention, l’élément 10 est un composite à matrice métallique comprenant un métal et un autre matériau non métallique Dans une autre variante de l’invention, l’étape de compression S6 est réalisée avec un fluide de compression gazeux. Le gaz utilisé est, par exemple, de l’argon. Dans une autre variante de l’invention, le liquide utilisé durant l’étape d’élimination S8 comprend un solvant organique, par exemple de l’éthanol, du benzène, de l’acétone, du diméthylsulfoxyde ou de l’éther. Dans une autre variante de l’invention, l’étape d’élimination S8 est réalisée à une température supérieure à la température ambiante, par exemple par chauffage du liquide dans lequel l’élément 10 est immergé. Avantageusement, la réalisation de l’étape d’élimination S8 à une température supérieure à la température ambiante permet d’augmenter la solubilité du matériau transmetteur de pression 12 et, conséquemment, facilite son élimination de la surface de l’élément 10. Procédé de consolidation et de densification par compression isostatique à froid d’un élément (10) préformé à partir d’au moins une poudre, le procédé comprenant : une étape d’ensachage (S2) de l’élément (10) durant laquelle l’élément (10) est plongé dans un matériau transmetteur de pression (12) au sein d’un sachet (14), une étape de scellage (S4) durant laquelle le sachet (14) est scellé hermétiquement, une étape de compression (S6) durant laquelle le sachet scellé (14) est compressé par compression isostatique. Procédé de consolidation et de densification selon la revendication 1, dans lequel la forme de l’élément (10) est définie par un nombre de paramètres géométriques supérieur à 3. Procédé de consolidation et de densification selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l’élément (10) est préformé à partir d’au moins une poudre métallique. Procédé de consolidation et de densification selon la revendication 3, dans lequel l’élément (10) comprend plusieurs métaux ou est un composite à matrice métallique ou un multi-matériaux comprenant au moins deux métaux, et est préformé à partir d’au moins deux poudres ou d’une poudre issue du mélange des deux. Procédé de consolidation et de densification selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel l’élément (10) est préformé par fabrication additive ou par moulage ou par compression. Procédé de consolidation et de densification selon l’une des revendication 1 à 5, comprenant en outre une étape d’élimination (S8) durant laquelle le matériau transmetteur de pression (12) recouvrant l’élément (10) est éliminé par immersion dans un liquide, soumis à des ultrasons pour accélérer son élimination. Procédé de consolidation et de densification selon la revendication 6, dans lequel le liquide utilisé durant l’étape de nettoyage (S8) comprend de l’eau. Procédé de consolidation et de densification selon l’une des revendications 1 à 7, durant lequel l’étape de compression (S6) est réalisée à température ambiante. Procédé de consolidation et de densification selon l’une des revendications 1 à 8, dans lequel la dureté du matériau transmetteur de pression (12) est supérieure à la dureté de l’élément (10). Procédé de consolidation et de densification selon l’une des revendications 1 à 9, dans lequel la granulométrie du matériau transmetteur de pression (12] est supérieure ou égale à 10 nm et inférieure ou égale à 10 mm. Procédé de consolidation et de densification selon l’une des revendications 1 à 10, dans lequel le matériau transmetteur de pression (12) est du sucre ou du sel.