moulage par injection de poudre AP.ORG

Action :
PERFORMANCE TECHNOLOGIQUE PLASTURGIE
Document Technique N°4 – Février 2011
MOULAGE PAR INJECTION DE POUDRE
LA FABRICATION DE PIECES COMPLEXES
PAR LE PROCEDE DE MOULAGE PAR INJECTION DE POUDRE
Le procédé de Moulage par Injection de Poudre (PIM)
Le procédé PIM regroupe deux technologies : le Moulage par Injection de Métal (MIM) et le
Moulage par Injection de Céramique (CIM). Ces technologies permettent de mouler des
pièces de formes complexes à partir d'un composé riche en métal, ou en céramique. Dans ces
technologies, le moulage par injection semblable à celui des matières plastiques, est suivi par
des traitements thermiques sur les pièces moulées, aboutissant à de réelles pièces métalliques
ou céramiques.
Le procédé PIM est en fait un procédé utilisant la technique de moulage par injection des
matières plastiques pour fabriquer des pièces en métal ou en céramique. L’intérêt est de
combiner les avantages de la mise en œuvre des matières plastiques : liberté de conception,
formes complexes possibles, précision de pièces, mise en œuvre économique pour les grandes
séries, et les avantages de performances de la pièce finie en fonction du matériau choisi :
résistance mécanique du métal, tenue thermique, tenue dans le temps, aspect, etc.
Les valeurs de quelques caractéristiques de traction et de fusion ci-dessous montrent l’écart
entre les matériaux métalliques et les matières plastiques techniques. Les comportements
thermiques et électriques sont également en contrastes, les polymères étant isolants et les
métaux conducteurs.
Contrainte en traction Point de fusion Module de traction
MPa
°C
GPa
Métaux et alliages
Acier
Titane
Aluminium
Magnésium
Min.
300
1000
75
85
Max.
1800
1000
700
255
1535
1660
660
649
210
105
75
44
334
sans
sans
sans
334
4
4
50
14
17
Polymères et composites
PEEK
Epoxy
SMC Fibres Carbone
EP Fibres Verre & Minéral
PEEK 30% Fibres Carbone
80
70
280
50
210
90
350
100
210
Le procédé PIM permet de fabriquer des pièces qui seraient techniquement très difficilement
réalisables par un procédé classique de fabrication de pièces métalliques ou céramiques, ou
qui seraient coûteuses (nécessitant des temps d’usinage importants, ou induisant des pertes de
matière non négligeables par production de copeaux).
Produits PIM (Source: ARBURG)
Principe du procédé MIM
Le moulage par injection de poudre de métal nécessite 4 à 5 étapes :
•
•
•
•
•
le mélangeage de la poudre de métal avec une faible quantité de liant, de cire ou de
polymère pour obtenir un composé avec une rhéologie adaptée au moulage par
injection,
l’injection du composé sous haute pression sur des machines d'injection permettant de
fabriquer des pièces à « l'état vert »,
le déliantage des pièces à « l'état vert » par décomposition thermique du liant dans un
four permettant d’obtenir les pièces à « l'état brun »,
le frittage à haute température (par exemple 1300°C pendant quelques heures) de
façon à obtenir la cohésion des particules de métal entre elles, apportant la
densification du matériau et la résistance des pièces,
éventuellement, une opération supplémentaire de finition : usinage, polissage ou
traitement de surface pour répondre à des critères particuliers du cahier des charges.
DELIANTAGE
FRITTAGE
Il existe aussi le procédé de moulage par extrusion de poudre (PEM) basé sur le même
principe, mais dont l’objet à l’état vert sera réalisé par extrusion.
L’injection :
Les machines d'injection PIM sont souvent des machines de transformation de matières
plastiques de série dont l’ensemble vis-fourreau est adapté pour résister aux contraintes
particulièrement abrasives des matériaux utilisés.
Le déliantage :
Il s’agit d'éliminer le liant par décomposition dans un four chauffé de manière homogène et
précise pendant un temps long pouvant atteindre 24 heures, voire plus. Ce processus est par
conséquent coûteux en temps, avec des risques de distorsion des pièces du fait du
ramollissement du liant avant sa décomposition. Toutefois, pour les liants de polyacétal
(POM), la présence d’un acide gazeux (acide nitrique concentré ou acide oxalique) permet un
déliantage à 120°C, température inférieure à celle du ramollissement du POM, évitant la
distorsion des pièces.
Deux autres techniques de déliantage peuvent être utilisées, comme le déliantage par
immersion dans un solvant, type acétone ou solvant aqueux, provoquant la dissolution du
liant. Après l’opération de déliantage, le solvant sera distillé et réutilisé. Et enfin le déliantage
supercritique qui utilise du dioxyde de carbone supercritique (CO2) caractérisé par une
viscosité très faible permettant sa pénétration rapide dans les pièces à « l’état vert ». La durée
de l’opération de déliantage supercritique est de l’ordre de 3 heures.
Le frittage :
Le procédé de frittage dépend du métal considéré et la taille des pièces. Il peut être effectué
dans des fours de type continu ou discontinu permettant des températures de frittage jusqu'à
1300 ° C, bien en deçà du point de fusion du métal sous atmosphère protectrice ou sous vide.
L’étape de frittage conduit à un retrait, en particulier sur les grandes pièces.
L'automatisation et les méthodes de traitement en continu permettent la production
économique en grande série de pièces moulées en métal. Une ligne de production complète
est composée de plusieurs machines de moulage par injection, d’un four de déliantage en
continu par le processus catalytique (four en atmosphère d’acide gazeux), et d’un four de
frittage en continu.
Les matières premières
Les matières premières pour le procédé PIM sont un mélange de poudre de métal ou de
poudre de céramique dans une faible quantité de liant, prêt à l’emploi pour les procédés
d’injection ou d’extrusion.
Le liant peut être un polymère, comme le polyéthylène ou le polypropylène, ou une cire
naturelle ou synthétique et l’acide stéarique. Plus récemment, le liant de polyacétal (POM) a
été développé pour permettre un déliantage catalytique plus rapide.
Dans le procédé PIM, les poudres de métal peuvent être des aciers faiblement alliées, des
aciers inoxydables, des aciers résistants à la chaleur, des alliages spéciaux, du tungstène, du
bronze, du nickel, du cobalt, du carbure de tungstène-cobalt, des alliages magnétiques doux
tels que les alliages de fer-phosphore, fer-silicium, fer-nickel ou fer-cobalt, des alliages de
cuivre, de titane, d'aluminium, etc. Ces métaux sont réduits avant leur mélange avec le liant
dans de minuscules particules de forme sphérique ou irrégulière, de tailles inférieures à 40µm.
Dans le procédé CIM, les poudres de céramique mélangées au liant peuvent être le zirconium,
l'aluminium, les oxydes magnétiques, etc.
Caractéristiques des pièces obtenues
Les pièces obtenues par le procédé PIM sont généralement de géométrie complexe, de taille
petite à moyenne pour garder une bonne maîtrise des tolérances dimensionnelles et un bon
aspect de surface. Les pièces présentent l’aspect sensoriel du métal ou de la céramique choisie
(aspect visuel, au toucher, densité …), avec des propriétés globales correspondant au
matériau : résistance mécanique, dureté, résistance à la corrosion et à l'usure, conductivité
électrique et thermique, dilatation thermique, propriétés magnétiques, etc.
De manière plus précise, les pièces obtenues par le procédé MIM, ont une densité, après
injection, déliantage et frittage, jusqu'à 98% de celle du métal considéré. Concernant les
propriétés mécaniques des pièces MIM, celles-ci peuvent être supérieures à celles des pièces
dans un matériau de même composition, réalisées dans un procédé classique.
Voici quelques indications de tolérances dimensionnelles de produits moulés par le procédé
PIM (à moduler car d’autres facteurs peuvent entrer en jeu) :
Dimension nominale [mm] Tolérance [+/- mm]
3-6
0.06
6 - 15
0.075
15 - 30
0.15
30 - 60
0.25
Au-dessus de 60
+/- 0.5% de la dimension
Marché
Selon un article paru aux Etats-Unis dans le magazine PIM international (Vol.2 n ° 1 Mars
2008, pages 37-42), le marché mondial du moulage par injection de poudre (PIM) est estimé à
1,4 milliards de dollars en 2009 et devrait croître à 2,7 milliards de dollars d'ici 2014, avec
une répartition de 70% pour le procédé MIM (injection de métal) et 30% pour le procédé CIM
(injection de céramique). Dans les années 1980, le marché MIM seul se situait à 20 millions
de dollars.
Les principaux secteurs d'application concernent l’industrie de l’horlogerie, de l’électronique,
de l’automobile, de l'aérospatiale, la bijouterie, les soins médicaux et dentaires, les bagues
orthodontiques, les cadres binoculaire, les armes à feu…
Exemples de pièces
Pièce de connecteur pour un module à fibre optique dans le secteur Electrique/Electronique
La pièce en acier inoxydable est obtenue par le procédé MIM,
puis deux opérations de finition : frappe des 2 loquets et
revêtement d’une couche d’or de 0,5 micron pour l’aspect et la
résistance à la corrosion. Les principales caractéristiques de la
pièce finie sont une résistance à la traction de 900 MPa et un
allongement de 8%, une dureté 27 HRC, une densité de 7,5.
D’après les estimations, le procédé MIM aurait apporté une
économie de 40% sur le prix de la pièce par rapport à un
procédé classique.
Buse d’air comprimé en acier inoxydable
La buse se compose de deux parties moulées séparément par le
procédé MIM. Après déliantage, les deux parties sont ensuite
assemblées, frittées ensemble puis soudées au laser pour obtenir
l’étanchéité. Les exigences du cahier des charges concernent le
contrôle précis du débit d’air, la conformité aux règlements des
Etats-Unis et de l'Union européenne sur le bruit, la résistance en
température, la résistance aux environnements corrosifs, les
critères d'hygiène de l'industrie agro-alimentaire. La pièce
présente une résistance en traction de 500 MPa, un allongement
de 50% et une densité de plus de 7,6.
Corps de poignée et étrier pour le secteur de l’aérospatial
Les pièces sont fabriquées dans un acier faiblement allié de
densité 7,4 par le procédé MIM. L’étrier représentait une
difficulté compte-tenu de sa géométrie, défi relevé par le
procédé MIM. Après injection, les pièces sont frittées dans une
atmosphère d'azote, puis subissent des opérations de finition :
frappe, alésage et taraudage. Les pièces sont ensuite trempées et
revenues pour atteindre une dureté de 45-50 HRC, et présentent
une finition au phosphate de manganèse.
Pièces d’orthodontie : bague, glissière, attache
Ces pièces sont utilisées en orthodontie pour la correction du
positionnement des dents. Elles sont réalisées en acier
inoxydable d’une densité de 7,5 par MIM. De très petites
dimensions, elles présentent néanmoins des caractéristiques
impressionnantes : résistance à la traction de 1200 MPa, module d’élasticité de 1090 MPa.
Conclusion
Le procédé de moulage par injection de poudre apparaît comme une excellente alternative à
des méthodes plus classiques de fabrication de pièces métalliques ou céramiques, combinant
les avantages de la mise en œuvre des matières plastiques et les performances liées au
matériau. Toutefois, pour obtenir de bons résultats, il est nécessaire de respecter certaines
règles : conception des pièces adaptées au procédé PIM, utilisation de moules et d’ensembles
vis-fourreau spéciaux, réalisation de traitements post-moulage de déliantage et de frittage.
Les développements à venir vont concerner la production de poudres fines à prix plus
compétitifs, ainsi que l’amélioration des procédés pour mieux répondre aux besoins de
miniaturisation des pièces dans les dispositifs électroniques et mécaniques, et l’amélioration
pour faciliter les opérations de déliantage et de frittage.
Référence : Omnexus by Special Chem
Février 2011
Dominique APPERT
Ingénieur R&D
CFP
[email protected]