Moulage par injection des poudres métalliques

Moulage par injection des poudres métalliques 

L’injection des poudres métalliques (ou en anglais Metal Injection Molding, dénoté pour le reste de ce document par l’acronyme MIM) est un procédé bien adapté pour la mise en forme des pièces métalliques de formes très complexes, précises et de faible taille (du millimètre à quelque dizaine de millimètres) faite à partir de matériaux à forte valeur ajoutée. Ce procédé est utilisé dans l’industrie automobile, médicale, aéronautique, militaire, joaillerie, électronique et beaucoup d’autres secteurs ,(German & Bose, 1997). Ce procédé se distingue par la production de grande série de pièces avec une cadence similaire à celle de l’injection plastique (la notion de production rentable en faible série sera discutée plus bas à la section traitant du procédé de moulage des poudres à basse pression). Le procédé de l’injection des poudres métallique nous permet d’avoir des pièces avec des densités comparables à celle fournie par la fonderie mais avec une meilleure précision géométrique et surtout, une meilleure microstructure (granulaire) produisant de meilleures propriétés mécaniques. Le procédé MIM a été développé à partir de l’injection des polymères plastiques et comporte la flexibilité de l’injection plastique de point de vue géométrie et la précision géométrique de la métallurgie des poudres (Hausnerova, 2011).

Le marché actuel de l’injection des poudres métallique se partage entre plusieurs continents et domaines. La plus grande partie du marché constitue les composants industriels avec 20 % principalement situé au Japon, 14 % pour les pièces automobiles en Europe, 11 % pour les produits électroniques en Asie, environ 9 % des produits médicaux et le reste du marché est occupé par d’autres domaines militaire, aérospatiale et joaillerie (Heaney, 2012).

Étapes du procédé MIM 

L’injection des poudres métallique MIM est divisée en quatre étapes qui sont la préparation du mélange, l’injection, le déliantage et le frittage .

Préparation du mélange
La première étape consiste à combiner la poudre et le liant fondu dans un mélangeur jusqu’à l’obtention d’une répartition homogène des particules de poudre à travers le liant . Le liant est généralement à base de thermoplastiques ou d’autres polymères tels que les cires naturelles (cire de carnauba et cire d’abeille) ou cires synthétiques (cire de paraffine et cire microcristalline) combiné à des constituants secondaires comme des agents tensioactifs (acide oléique, huile d’arachide, huile de poisson, stéarate de zinc, etc.) et des agents épaississants (éthylène-acétate de vinyle et polyéthylène basse densité). La matière première est généralement préparée entre 70 et 120 °C qui est supérieure au point de fusion du liant mais inférieur à la température de fusion de la poudre métallique. Le mélange de la poudre et du liant constituant la matière première du procédé d’injection est appelé mélange (ou en anglais feedstock). Il existe plusieurs techniques de fabrication de la poudre qui peuvent être utilisées pour produire des poudres de bonne qualité pour le MIM. Nicolas Giguère résume très bien les différentes techniques d’atomisation où les deux techniques les plus utilisés sont l’atomisation au gaz et l’atomisation à l’eau (Giguère, 2010). Les poudres atomisées au gaz et à l’eau sont produites à partir d’un métal liquide qui est forcé à travers une buse jusqu’à un flux à haute de vitesse de gaz (généralement l’azote, l’argon ou l’hélium) ou d’eau briser le film de métal liquide en fines gouttelettes qui se solidifient puis tombe dans le fond de l’atomiseur .

Injection
La seconde étape du procédé MIM est l’injection qui permet de générer la géométrie de la pièce . Le processus commence par une alimentation de matière première en forme de granules à partir de la trémie qui fond par la suite à l’intérieur du cylindre pour dépasser la température de fusion du liant . Durant l’avance de la matière dans le cylindre par le mouvement de rotation de vis sans fin, la pression et la température de la matière augmente et le mélange ainsi fondu atteint la buse d’injection dans un état visqueux qui est ensuite injecté selon la séquence d’injection .

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Déliantage
Le déliantage permet de retirer le liant de la pièce à vert . Tel que mentionné plus haut, les liants sont des composés organiques qui peuvent être retirés en utilisant différentes approches par l’utilisation de solvant, de chaleur ou une combinaison des deux pour créer une réaction catalytique. C’est une étape très délicate à maîtriser afin d’éliminer le maximum du liant durant un temps faible sans créer de défaut sur la pièce (Itoh, Harikou, Satoh, & Miura, 2002). Il existe deux étapes de déliantage distinctes où la première étape consiste à ouvrir des orifices jusqu’à la surface de la pièce qui jouent le rôle des canaux pour retirer complètement le liant restant jusqu’au cœur de la pièce pendant la deuxième étape . La pièce ainsi fabriquée est appelés pièce brun (ou en anglais brown part).

Frittage
Le but ultime du procédé MIM est d’obtenir une pièce métallique possédant une complexité de forme comparable à celle obtenue par la fonderie en utilisant les poudres tout en maintenant la forme de pièce injectée et déliantée . Cette étape finale de consolidation de la poudre se nomme le frittage où la pièce déliantée est soumise à une température élevée (légèrement inférieure à la température de fusion) sous une atmosphère protectrice ou réactive. L’objectif de cette étape est d’éliminer la majorité des porosités qui occupaient la place du liant enlevé lors du déliantage. Le rétrécissement de la pièce brun doit être isotropique pour conserver la géométrie initiale et surtout éviter l’apparition de défauts.

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LA LITTÉRATURE
1.1 Moulage par injection des poudres métalliques
1.1.1 Étapes du procédé MIM
1.1.1.1 Préparation du mélange
1.1.1.2 Injection
1.1.1.3 Déliantage
1.1.1.4 Frittage
1.1.2 Avantages du procédé MIM
1.1.3 Injection des poudres métalliques à basse pression (LPIM)
1.2 Simulation numérique de la phase d’injection
1.2.1 Comparaison des logiciels disponibles dans la littérature
1.2.2 Méthode de résolution numérique avec Moldflow
CHAPITRE 2 PROBLÉMATIQUE ET OBJECTIFS
CHAPITRE 3 MÉTHODOLOGIE EXPÉRIMENTALE
3.1 Caractérisation des poudres sèches
3.2 Caractérisation rhéologique
3.3 Caractérisation thermique
3.4 Densité
3.5 Tests d’injections
3.6 Avant-propos chapitre 4 et chapitre 5
CHAPITRE 4 ARTICLE #1: EFFECT OF POWDER SHAPE AND SIZE ON
RHEOLOGICAL, THERMAL, AND SEGREGATION PROPERTIES
OF LOW-PRESSURE POWDER INJECTION MOLDING
FEEDSTOCKS
4.2 Introduction
4.3 Material and measurements
4.3.1 Powder characteristics and feedstock preparation
4.3.2 Measurement
4.4 Results and discussion
4.4.1 Differential scanning calorimetry analyses
4.4.2 Rheological behavior of feedstocks
4.4.3 Segregation analyses
4.5 Conclusion
4.6 Acknowledgements
CHAPITRE 5 ARTICLE #2: NUMERICAL SIMULATION AND EXPERIMENTAL
INVESTIGATION OF MOLD FILLING AND SEGREGATION IN
LOW-PRESSURE POWDER INJECTION MOLDING OF METALLIC
FEEDSTOCK
5.1 Abstract
5.2 Introduction
5.3 Experimental procedures
5.3.1 Feedstock preparation
5.3.2 Measurement of the material properties
5.3.3 Injection molding
5.3.4 Numerical simulation
5.4 Results and discussion
5.4.1 Feedstock properties
5.4.2 Injected length, melt front velocity, and filling time
5.4.3 Shear rate
5.4.4 Powder segregation analyses
5.5 Conclusions
5.6 Acknowledgements
CONCLUSION

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