Action : PERFORMANCE TECHNOLOGIQUE PLASTURGIE. Document Technique N 4 Février 2011 MOULAGE PAR INJECTION DE POUDRE

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1 Action : PERFORMANCE TECHNOLOGIQUE PLASTURGIE Document Technique N 4 Février 2011 MOULAGE PAR INJECTION DE POUDRE

2 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 MPa Min. Métaux et alliages Max. Point de fusion C Module de traction GPa Acier Titane Aluminium Magnésium Polymères et composites PEEK Epoxy sans 4 SMC Fibres Carbone sans 50 EP Fibres Verre & Minéral sans 14 PEEK 30% Fibres Carbone 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).

3 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.

4 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.

5 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] 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

6 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 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

7 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

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