Brevet FR3156363A1 — publié le 20250613

L'invention concerne un procédé de préparation d’un moule (M) destiné au frittage d’une préforme (P) réalisée par impression 3D, caractérisé en ce qu’on effectue, en une ou plusieurs séquences, les opérations successives suivantes, le versement dans le moule d’une première quantité d’une barbotine (S) comprenant, d’une part, un solvant et, d’autre part, un matériau inerte pulvérulent à base de particules de céramique en suspension puis un premier traitement thermique du moule avec la barbotine afin d’obtenir, à sa surface, un lit (L1) solide et homogène de poudre sacrificielle sur lequel on vient déposer la préforme, le versement d’une seconde quantité de ladite barbotine de façon à remplir le moule et à y noyer la préforme et un second traitement thermique pour solidifier la poudre (L2) avant d’obturer le moule. Figure de l’abrégé (Fig. 2) PROCÉDÉ DE PRÉPARATION D’UN MOULE DESTINÉ AU FRITTAGE DE PRÉFORMES RÉALISÉES PAR IMPRESSION 3D L'invention concerne un procédé de préparation des moules poreux destinés au frittage de préformes. La fabrication de pièces métalliques, en céramique ou composites par métallurgie des poudres est réalisée par des opérations de densification simultanées à partir, d’une part, d’un ou plusieurs moules comportant des contres-formes sacrificielles poreuses et, d’autre part, d’un matériau pulvérulent. Ces préformes peuvent être réalisées, notamment, par fabrication additive (dite impression 3D), par coulage, usinage ou pressage, … Dans le cas de procédés de frittage où la pression est transmise de façon uni-axiale (les outillages de frittage étant généralement de forme cylindrique), les pièces finales obtenues (appelées « massifs ») sont alors de forme cylindrique. Par ailleurs, en fonderie, la méthode dite du « poteyage » consiste à préparer le moule en enduisant sa surface avec un matériau protecteur. Cette méthode permet d’assurer, selon la composition du matériau d’enduction, différentes fonctions telles que la préservation du moule vis-à-vis d’une attaque chimique ou physique et d’une érosion par le métal liquide en fusion, son refroidissement, sa lubrification, le démoulage facilité de la pièce finie et l’amélioration de son état de surface . La réalisation de pièces par un frittage sous charge et plus précisément par « Spark Plasma Sintering » (c’est-à-dire « frittage flash », dit SPS) est connue, notamment, par la demande WO 2017/077028 A1. Ce document propose de placer la pièce à densifier dans une contre-forme de structure pulvérulente ou poreuse présentant au moins une couche inter-faciale déformable afin d’optimiser la pression appliquée à sa surface, la poudre étant dite sacrificielle. Celle-ci accompagne le frittage de la pièce sans pour autant interagir avec celui-ci. On parle alors d’interface mobile entre une pièce à fritter et un média sacrificiel. Par ailleurs, les demandes de brevet US2022032370A1 et US2022032498A1 décrivent des perfectionnements de cette technique consistant à combiner la fabrication additive et le frittage SPS afin de permettre la réalisation de pièces de forme complexe. La fabrication additive permet la mise en forme d’un objet (poreux ou non) participant ensuite à une densification par frittage selon deux modes alternatifs : soit cet objet est réalisé par fabrication additive et constitue directement la préforme à fritter, soit cet objet présente une forme complémentaire d’une préforme en matériau perdu obtenue par fabrication additive et constitue alors une contre-forme formant une empreinte ou un moule pour le frittage. Ainsi, lorsqu’une pièce pré-densifiée ou densifiée appelée préforme est réalisée par impression 3D, ses cotes sont préalablement déterminées en vue d’anticiper son retrait dimensionnel lors du frittage. Cette préforme est alors placée dans un moule en étant entourée d’une poudre sacrificielle qui permettra d’accompagner son frittage. Après frittage, l’ensemble (poudre + préforme) est extrait du moule et la pièce est récupérée après décochage mécanique ou chimique. Toutefois, dans le cadre de la densification et de la finition de préformes de pièces de forme complexe par frittage SPS (ou, de manière générale, par frittage sous pression) au moyen de moules céramiques poreux, la préparation du moule de frittage, est une tâche exécutée par un opérateur et qui implique la pose et le maintien mécanique de la préforme au sein du lit de poudre sacrificiel. Or, cette tâche rencontre des problèmes techniques qui sont explicités ci-après et qu’il convient de surmonter si l’on souhaite éviter de générer des défauts sur la pièce frittée. Actuellement, il existe deux méthodes principales de préparation des moules de frittage. Une première méthode consiste à, successivement, mettre en place un piston inférieur dans le moule, à positionner la préforme, à ajouter la poudre sacrificielle jusqu’à recouvrir cette préforme, à compléter la quantité de poudre pour compenser le futur retrait dimensionnel de la pièce et à mettre en place un piston supérieur pour fermer le moule. Ensuite, le moule est retourné, le piston est enlevé, une quantité supplémentaire de poudre sacrificielle est ajoutée pour parfaire le suivi du retrait et le piston est mis en place pour fermer le moule à nouveau. Une deuxième méthode consiste à mettre en place le piston inférieur dans le moule, à déposer en partie inférieure du moule un premier lit de poudre sacrificielle, à positionner la préforme dans le moule en la posant sur ce premier lit de poudre, à la noyer dans un volume de poudre sacrificielle, à déposer en partie supérieure du moule un second lit de poudre complémentaire pour compenser le retrait dimensionnel et à mettre en place le piston supérieur pour fermer le moule. Or, l’un des principaux problèmes soulevés par ces méthodes portent sur la maîtrise de la densité des différents apports de poudre sur chaque lit et le centrage axial de la préforme dans le moule. En effet, la densité des lits de poudre agit directement sur les déformations de la préforme lors du frittage ainsi que sur la stabilité de son équilibre et de son maintien mécanique du fait que la préforme est une pièce peu dense, donc friable et fragile. En particulier, pour des préformes comportant des parois, ou bien des préformes fragiles dont la manipulation est critique, si la densité des lits de poudre sacrificiel est faible, la préforme va se fissurer dès l’application des contraintes lors du frittage sous pression. De plus, pour les préformes dont la structure est enchevêtrée et qui comporte des cavités ou des zones peu accessibles, l’écoulement de la poudre sacrificielle à l’intérieur de cette structure est entravé ce qui ne permet pas d’assurer un maintien mécanique satisfaisant de la préforme lors de sa mise en compression. En outre, le centrage de la préforme sur un lit de poudre peu dense est une opération délicate et son support sur ce lit reste donc instable pendant le frittage. Il s’avère aussi que le dépôt dans le moule de quantités déterminées, voire identiques, de poudre, de part et d’autre de la préforme, est une opération laborieuse qui, si elle n’est pas exécutée de façon précise, engendre des défauts d’homogénéité lors du frittage. Par ailleurs, la fiabilité et la qualité des pièces résultant de la mise en œuvre de ces méthodes de préparation varient selon les opérateurs ce qui impacte directement la répétabilité et la reproductibilité du procédé de fabrication de ces pièces. En particulier, les tâches manuelles successives de tassage des lits de poudre sacrificielle ne peuvent pas être répétées de façon strictement identique et le niveau de tassement est donc différent à chaque opération de production. De plus, pour des productions industrielles de pièces en série, il est nécessaire d’établir une méthode standardisée, permanente et viable, ce qui s’avère impossible avec ces deux méthodes du fait des divergences engendrées par le nombre important de tâches et d’opérateurs sollicités. Dans ce contexte et afin de résoudre les problèmes exposés ci-dessus, l’invention a cherché à améliorer la densité et l’homogénéité du lit de poudre pour assurer, à la fois, un maintien physique stable de la préforme dans le moule lors du frittage, un meilleur centrage et pour proposer, in fine, une méthode de fabrication robuste et reproductible de pièces frittées. Ce but est atteint, selon l’invention au moyen d’un procédé de préparation d’un moule destiné au frittage d’une préforme, caractérisé en ce qu’on effectue, en une ou plusieurs séquences, les opérations successives suivantes ; le versement dans le moule d’une première quantité d’une barbotine comprenant, d’une part, un solvant et, d’autre part, un matériau inerte pulvérulent à base de particules de céramique en suspension puis un premier traitement thermique du moule avec ladite barbotine afin d’obtenir, à sa surface, un lit solide et homogène de poudre sacrificielle sur lequel on vient déposer la préforme, le versement d’une seconde quantité de ladite barbotine de façon à remplir le moule et à y noyer la préforme et un second traitement thermique pour solidifier la poudre avant d’obturer le moule. Selon une caractéristique spécifique du procédé de l’invention, le matériau pulvérulent a une température de fusion supérieure à la température de fusion du matériau constitutif de la préforme. Selon une variante spécifique de mise en œuvre du procédé de l’invention, on coule, en outre, une troisième quantité de ladite barbotine dans le moule que l’on soumet à nouveau à un traitement thermique pour former une couche supérieure solide et homogène de poudre sacrificielle avant d’obturer le moule. Selon une autre caractéristique spécifique du procédé de l’invention, les particules de céramique en suspension dans la barbotine ont une granulométrie supérieure au diamètre moyen des pores de la préforme. Selon une variante de mise en œuvre du procédé de l’invention, la préforme est préalablement recouverte d’une couche d’un matériau inerte et les particules de céramique en suspension dans la barbotine ont alors une granulométrie inférieure au diamètre moyen des particules constitutives de la préforme. Selon une caractéristique avantageuse de mise en œuvre de l’invention, le procédé prévoit que, préalablement à son remplissage, la paroi intérieure du moule est revêtue d’une feuille de carbone et positionné sur une plaque poreuse permettant l’absorption par capillarité d’au moins une fraction de la barbotine. Selon une autre caractéristique du procédé de l’invention, la barbotine comprend, en outre, au moins un agent dispersant. De préférence, cet agent dispersant est un polymère. Selon encore une autre caractéristique du procédé de l’invention le solvant est volatile dans les conditions normales de température et de pression et est avantageusement choisi dans le groupe comprenant l’eau, les alcools, les cétones ou un mélange de ces derniers et est, de préférence, l’isopropanol (PrOH). Selon une variante spécifique de mise en œuvre du procédé de l’invention, la barbotine comprend de 10% à 40% en masse de matériau pulvérulent en suspension et de 60% à 90% en masse de liquide. Toujours selon le procédé de l’invention, le traitement thermique comprend une phase de séchage à l’air libre. Le cas échéant, le traitement thermique comprend, en outre, un séchage en étuve entre 80° C et 140°C pendant 10mn. Selon une autre caractéristique avantageuse de l’invention, le procédé prévoit que l’on effectue l’optimisation de la viscosité de la suspension de poudre sacrificielle et l’homogénéisation de la barbotine avant son versement dans le moule en y introduisant des billes de zircone et en agitant. Selon une variante spécifique de mise en œuvre du procédé, le matériau inerte pulvérulent est choisi dans le groupe comprenant les céramiques, les carbures et oxydes métalliques, les nitrures et dont les particules ont un diamètre moyen compris entre 0,34 et 300 microns. De manière générale, la quantité de ce matériau inerte pulvérulent en suspension dans la barbotine est déterminée en fonction du retrait dimensionnel de la préforme résultant du frittage. Un autre objet de l’invention est un moule poreux en céramique préparé selon le procédé défini ci-dessus en vue d’un frittage sous pression d’une préforme disposée dans le moule. Encore un autre objet de l’invention est une utilisation du moule tel que défini ci-dessus pour la densification par frittage sous pression de préformes en imprimées en 3D par une technique de binder jet. Une utilisation spécifique du moule de l’invention est destinée à la densification par frittage sous pression de préformes en aluminium. Le procédé de l’invention consiste donc à préparer un moule destiné au frittage sous pression de préformes préalablement mises en forme, notamment, par une technique d’impression 3D ou par d’autres techniques, telles que le pressage, l’usinage ou le coulage. La préparation du moule a pour objectif principal d’améliorer la densité du lit de poudre sacrificielle afin d’assurer un maintien physique stable et un meilleur centrage de la préforme dans le moule lors du frittage. Plus précisément, la mise en suspension de particules de poudre sacrificielle dans une barbotine remplissant le moule dans laquelle la préforme se trouve noyée et le contrôle de la sédimentation de ces particules permet d’optimiser le réarrangement granulaire et d’améliorer ainsi la densité du lit. En effet, avec un procédé traditionnel, les mesures de la densité tapée de la poudre sacrificielle dans le moule montrent une densité relative maximale du lit de poudre de 47%. Les mêmes mesures réalisées avec une préparation du moule selon le procédé de l’invention par voie humide (via la barbotine avec le matériau pulvérulent en suspension), permettent d’atteindre une densité relative de 58%. Ce gain de 11% est très important et résulte de l’augmentation du réarrangement granulaire de la poudre sacrificielle. La préparation de la barbotine consiste à mélanger de la poudre sacrificielle avec un solvant qui est chimiquement inerte vis-à-vis de la préforme. Les quantités de chacun des composants de cette solution sont optimisées en contrôlant sa viscosité. L’invention prévoit ainsi que la barbotine pénètre dans tous les interstices de la structure de la préforme que ne pourrait atteindre cette poudre en s’écoulant seulement sous forme sèche. Conjointement, l’invention propose une méthode robuste et standardisée permettant d’effectuer des préparations répétitives, reproductibles et fiables des moules et, en conséquence, d’obtenir des pièces frittées de très bonne qualité. Ainsi l’invention permet d’anticiper la géométrie des préformes et d’utiliser, à l’échelle industrielle, des moules en série avec plusieurs préformes et toujours avec une densité homogène du lit de poudre sacrificielle. Le procédé de l’invention permet aussi de limiter les déformations des objets frittés et de préserver l’intégrité des préformes lors du frittage, quelles que soient leurs caractéristiques dimensionnelles et la complexité de leur structure interne. D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description qui va suivre de trois variantes de mise en œuvre du procédé de l’invention en référence aux figures 1 et 2 explicitées ci-après. FIG. 1 est un graphe représentant la distribution granulométrique de la poudre de matériau pulvérulent ici sous la forme de carbure de silicium (SiC) utilisée dans un mode préférentiel de mise en œuvre du procédé de l’invention. FIG. 2 sont des schémas a) à k) représentant les opérations successives du procédé de préparation du moule selon l’invention. Pour plus de clarté, les éléments identiques ou similaires sont repérés par des signes de référence identiques dans la description et sur l’ensemble des figures. Naturellement, les modes de mise en œuvre du procédé de l’invention illustrés schématiquement par les figure présentées ci-dessus et décrites ci-après, ne sont donnés qu'à titre d’exemples non limitatifs. Il est explicitement prévu dans le cadre de l’invention que l'on puisse proposer et combiner entre eux différents modes pour en proposer d'autres. Dans le cadre de l’invention, on prépare une barbotine comprenant, d’une part, au moins un solvant et, d’autre part, un matériau inerte pulvérulent à base de particules de céramique en suspension formant une poudre dite sacrificielle. De préférence, la barbotine comprend, en outre un agent dispersant choisi parmi les polymères. Plusieurs matériaux pulvérulents ont été testés et, principalement, des poudres de céramiques et/ou de céramiques composites (oxydes, carbures, nitrures, …). L’exemple de mise en œuvre du procédé de l’invention qui est décrit ci-après utilise du carbure de silicium (SiC). Le matériau pulvérulent de même que l’agent dispersant liquide sont inertes chimiquement vis-à-vis du matériau constitutif de la préforme. Le solvant est volatile dans les conditions normales de température et de pression et est choisi dans le groupe comprenant l’eau, les alcools, les cétones ou un mélange de ceux-ci et est, de préférence, un solvant tel que l’isopropanol (PrOH). Les particules de la poudre sacrificielle employée ont, de préférence, une granulométrie dite « fine », comme illustré par la FIG. 1 , avec un D10 de 0,34 µm, un D50 de 2,54 µm et un D90 de 6,20 µm. La distribution granulométrique est bimodale avec une majorité de particules dont la taille est supérieure à 1 µm. Une autre solution pourrait consister à l’utiliser une poudre à distribution granulométrique multiple pour optimiser la densité des lits de poudre. Le tableau 1 ci-dessous donne trois exemples de mise en œuvre du procédé de l’invention avec différents types de poudre. Poudre D10 (µm) D50 (µm) D90 (µm) Matériau fritté SiC A. 0,34 2,54 6,20 Aluminium Alumine F220 43,80 73,90 121,00 Acier Nitrure de Bore 20,00 100,00 300,00 Alumine Toutefois, l’invention prévoit que les particules de poudre en suspension dans la barbotine ont une granulométrie supérieure au diamètre moyen des pores de la préforme afin de ne pas pénétrer dans sa structure. De préférence, la barbotine présente un ratio massique de 40/60 entre la poudre et l’agent précurseur liquide (ici carbure de silicium SiC)/(solvant isopropanol PrOH). Selon une variante de mise en œuvre du procédé de l’invention, la préforme pourra être préalablement recouverte d’une couche d’un matériau inerte (graphite, nitrure de bore, …) par exemple, au moyen d’une technique de pulvérisation, de trempage (« deep coating ») ou toute autre technique appropriée. Dans ce cas, les particules de céramique en suspension dans la barbotine auront alors une granulométrie inférieure au diamètre moyen des particules constitutives de la préforme. Une étape préliminaire du procédé de préparation du moule consiste à optimiser la viscosité (% en masse de poudre) de la barbotine et à l’homogénéiser avant son versement dans le moule. A cet effet, on ajoute dans la barbotine, des billes en zircone avec un ratio massique bille/SiC de 1/1 puis on agite le mélange pendant environ 10 minutes, par exemple, au moyen d’un mélangeur tridimensionnel. Il est aussi possible, sans sortir du cadre de l’invention, de parfaire la distribution de la poudre en suspension dans la barbotine en utilisant des moyens complémentaires de vibration. Selon un mode de mise en œuvre spécifique et avantageux du procédé de l’invention, la paroi intérieure du moule est préalablement revêtue d’une feuille de carbone et positionné sur une plaque de support poreuse (par exemple, en plâtre) permettant l’absorption par capillarité d’au moins une fraction de la barbotine s’écoulant par gravité au travers de la structure poreuse du moule, la fraction complémentaire subissant un traitement thermique afin d’évaporer la phase liquide. Par la suite, les opérations mises en œuvre sont décrites ci-après et illustrées par la FIG. 2 - étapes a) à k). La première opération consiste à verser dans le moule M une première quantité (en volume) de la barbotine L (figure 2a) contenant la suspension de poudre puis à effectuer un premier traitement thermique de l’ensemble du moule contenant la barbotine (figure 2b). A l’issue de cette opération, on obtient à la surface du moule et après évacuation d’une fraction de la phase liquide, à la fois par évaporation et écoulement gravitaire au travers de la structure poreuse du moule, un lit L1 solide et homogène de poudre sacrificielle (figure 2c). Sur le lit L1 de poudre ainsi formé, on vient déposer la préforme P (figure 2c) puis on coule une seconde quantité de cette même barbotine dans le moule de façon à y noyer complètement la préforme (figure 2d). On effectue ensuite un second traitement thermique, de préférence par séchage à l’air libre et/ou en étuve, pour solidifier la poudre autour de la préforme en formant un enrobage L2 (figure 2e). Lors de l’opération suivante, on coule une troisième quantité de la barbotine (figure 2f) que l’on soumet à nouveau à un traitement thermique pour former une couche supérieure L3 solide et homogène de poudre sacrificielle (figure 2g) avant d’obturer le moule, par exemple, au moyen de pistons supérieur et inférieur C ou d’un capot (figure 2h). Après frittage de la préforme P, celle-ci est démoulée (figure 2i) puis débarrassée de son enrobage de poudre sacrificielle pour obtenir une pièce finale densifiée D (figure 2k). Les volumes de barbotine et donc les quantités de poudre en suspension versées dans le moule à chacune des trois opérations successives sont déterminés en fonction du retrait dimensionnel de la préforme résultant du frittage. Ce retrait est connu par expérience et/ou par une modélisation préalable. Les traitements thermiques successifs comprennent, notamment, un séchage à l’air libre et/ou en étuve entre 80°C et 140°C pendant 10 minutes afin d’évaporer le solvant (ici PrOH) ou tout au moins la fraction du solvant qui n’est pas passée au travers du moule et absorbée par la plaque de support poreuse. A l’issue de la mise en œuvre du procédé de l’invention, on observe que la préforme frittée n’est pas fissurée et que tant sa structure que sa géométrie sont conservées ce qui n’était pas le cas avec les précédentes méthodes de préparation du moule. En conclusion, le procédé de l’invention permet une préparation standardisée et aisée du moule destiné au frittage sous pression de préformes et qui n’est pas dépendante du personnel conduisant les opérations. Ce procédé permet, en outre, de faciliter le centrage de la préforme dans le moule sur le lit inférieur de poudre sacrificielle, de limiter les déformations de la structure de la préforme lors du frittage quelles que soient sa géométrie et sa complexité. Procédé de préparation d’un moule (M) destiné au frittage d’une préforme (P) réalisée par impression 3D, caractérisé en ce qu’on effectue, en une ou plusieurs séquences, les opérations successives suivantes ; le versement dans le moule d’une première quantité d’une barbotine (S) comprenant, d’une part, un solvant et, d’autre part, un matériau inerte pulvérulent à base de particules de céramique en suspension puis un premier traitement thermique du moule avec la barbotine afin d’obtenir, à sa surface, un lit (L1) solide et homogène de poudre sacrificielle sur lequel on vient déposer la préforme, le versement d’une seconde quantité de ladite barbotine de façon à remplir le moule et à y noyer la préforme et un second traitement thermique pour solidifier la poudre (L2) avant d’obturer le moule. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit matériau pulvérulent a une température de fusion supérieure à la température de fusion du matériau constitutif de la préforme. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’on coule, en outre, une troisième quantité de ladite barbotine dans le moule que l’on soumet à nouveau à un traitement thermique pour former une couche supérieure (L3) solide et homogène de poudre sacrificielle avant d’obturer le moule. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les particules de céramique en suspension dans la barbotine ont une granulométrie supérieure au diamètre moyen des pores de la préforme. Procédé selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la préforme est préalablement recouverte d’une couche d’un matériau inerte et les particules de céramique en suspension dans la barbotine ont alors une granulométrie inférieure au diamètre moyen des particules constitutives de la préforme. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que préalablement à son remplissage, la paroi intérieure du moule est revêtue d’une feuille de carbone et positionné sur une plaque poreuse permettant l’absorption par capillarité d’au moins une fraction de la barbotine. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la barbotine comprend, en outre, au moins un agent dispersant. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ledit solvant est volatile dans les conditions normales de température et de pression et est choisi dans le groupe comprenant l’eau, les alcools, les cétones ou un mélange de ces derniers. Procédé selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que solvant est l’isopropanol (PrOH). Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la barbotine comprend de 10% à 40% en masse de matériau pulvérulent en suspension et de 60% à 90% en masse de liquide. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le traitement thermique comprend une phase de séchage à l’air libre. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le traitement thermique comprend, en outre, un séchage en étuve entre 80°C et 140°C pendant 10mn. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’on effectue l’optimisation de la viscosité de la suspension de poudre sacrificielle et l’homogénéisation de ladite barbotine avant son versement dans le moule en y introduisant des billes de zircone et en agitant. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit matériau inerte pulvérulent est choisi dans le groupe comprenant les céramiques, les carbures et oxydes métalliques, les nitrures et dont les particules ont un diamètre moyen compris entre 0,34 et 300 µm. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la quantité de matériau inerte pulvérulent en suspension dans la barbotine est déterminée en fonction du retrait dimensionnel de la préforme résultant du frittage. Moule poreux (M) en céramique préparé selon le procédé selon l’une des revendications précédentes en vue du frittage sous pression de préformes. Utilisation du moule selon la revendication 16 pour la densification par frittage sous pression de préformes (P) imprimées en 3D par une technique de binder jet. Utilisation selon la revendication 17 pour la densification par frittage sous pression de préformes (P) en aluminium.