Les différentes étapes du procédé PIM

Cette étape, qui consiste à mélanger une poudre et un liant à base de polymère, est fondamentale.  Ce mélange est généralement réalisé à l’aide de mélangeurs et/ou d’extrudeuses sous un fort taux de cisaillement qui permettent alors d’assurer une bonne homogénéité du mélange. La morphologie, la taille de la poudre, les traitements que cette dernière peut subir ainsi que la formulation du liant, sont des paramètres clefs.

La poudre

Concernant la nature chimique de ces poudres, les aciers, aciers inoxydables, les alliages fer / nickel (2 à 80%  en poids de Ni), à base de cuivre, de nickel, les superalliages à base de cobalt, de titane, les alliages magnétiques, les métaux réfractaires et les métaux-durs constituent les poudres métalliques les plus couramment employées dans le procédé MIM (metal injection molding).

Pour le CIM, les poudres utilisées sont à base d’alumine, de zircone, d’oxyde de calcium, de magnésium, de silice, de nitrure de silicium, de carbure de silicium.

Outre la nature chimique des poudres utilisées, leur forme et leur taille sont aussi des paramètres à prendre en considération. Une quantité de poudre relativement importante doit être incorporée au liant, de manière à assurer la cohésion de la pièce. Les poudres doivent donc présenter une certaine densité de compaction. Les grains présentant une forme sphérique sont plus faciles à mouler (bon écoulement et bonne capacité d’empilement) mais ne permettent pas une forte cohésion de la pièce après l’étape de déliantage, contrairement à des poudres avec des grains de forme irrégulière. Les poudres fines (quelques µms ou <1µm) se frittent plus rapidement que les poudres avec des grains de grande taille mais elles ont tendance à s’agglomérer, ce qui augmente de façon importante la viscosité du mélange et a pour conséquence des difficultés d’écoulement lors de l’injection.

De façon générale, le procédé d’atomisation par eau ou gaz permet d’obtenir des poudres présentant une géométrie arrondie ou sphérique, comme c’est le cas notamment de la poudre acier inoxydable 316L, largement rencontrée. En ce qui concerne la taille, les poudres fabriquées par des techniques chimiques présentent en général des dimensions inférieures (0,2 – 10 microns) à celles obtenues par atomisation à l’eau ou par gaz (4 – 40μm). La plupart des feedstocks commerciaux métalliques sont à base d’une poudre présentant une taille de l’ordre de 20-30μm. Néanmoins, les poudres métalliques de dimensions submicroniques ont tendance à être développés. Dans l’industrie de la céramique, la tendance actuelle dans est d’utiliser de la poudre très réactive possédant une taille moyenne des particules de moins de 1μm afin d’accroître encore les propriétés des composants et de réduire la température de frittage et du temps.

Le liant 

Représentation schématique de la répartition des matériaux couramment rencontrés dans l’industrie MIM et CIM (article TI M3320-Prcédés de frittage PIM)

Le liant est un paramètre primordial dans l’élaboration d’un bon feedstock. Il doit résister thermiquement à l’étape de mise en forme sans se dégrader puis doit pouvoir s’éliminer relativement facilement lors de l’étape suivante (étape de déliantage). Même si la composition des principaux liants commerciaux n’est pas parfaitement connue, leur point commun est la présence de différents constituants. Le liant est donc un système multi-composant.

Les liants sont généralement à base de thermoplastiques  (polyoléfines telles que polyéthylène, polypropylène, polystyrène) qui permettent d’assurer l’écoulement pendant la phase d’injection, la solidité du composant non seulement après injection mais aussi le plus longtemps possible lors du déliantage.  Les polymères présentant un fort taux de cristallinité sont rarement employés afin de limiter les retraits associés lors du moulage notamment, les dilatations thermiques et les ramollissements en début de déliantage.

Les cires sont aussi largement utilisées notamment comme plastifiants pour diminuer la viscosité du liant afin de favoriser l’injectabilité. Elles ont notamment aussi pour rôle d’ouvrir les premiers pores lors de l’étape de déliantage en s’éliminant plus rapidement et en permettant alors une diffusion optimale du premier composant.

Enfin, des agents de surface pour augmenter la mouillabilité de la poudre et/ou des lubrifiants entrent en jeu lors de la composition d’un feedstock. Malheureusement, aucun liant n’est est parfait. En conséquence le liant approprié doit être choisi en fonction de la poudre et des conditions requises au cours du processus.

Les différents types de liant doivent présenter une faible viscosité aux températures d’injection, des propriétés de mouillabilité vis-à-vis de la poudre, être chimiquement inerte et stable durant les étapes de malaxage et d’injection.

Ratio poudre/liant

Le ratio entre la quantité de poudre et la quantité de liant est aussi un paramètre primordial. C’est pourquoi la notion de taux de charge a été introduite. Ce taux de charge Tc est défini comme le rapport du volume de poudre sur le volume total de poudre et liant.

Un taux de charge trop élevé (c’est-à-dire une trop faible quantité de liant) est à l’origine d’une très forte viscosité, ce qui rend l’étape d’injection relativement difficile. De plus, des bulles d’air peuvent aussi être présentes dans le feedstock et peuvent être à l’origine de l’apparition de défauts (fissures par exemple) lors de l’étape de déliantage. A l’inverse, un taux de charge trop faible (c’est-à-dire une trop grande proportion de liant dans le feedstock) peut conduire à des inhomogénéités importantes dans une pièce ainsi qu’à un affaissement de la pièce durant l’étape de déliantage.

En général, les feedstocks utilisés présentent un taux de charge compris entre les cas limites présentés précédemment. Plus précisément, leur taux de charge est légèrement inférieur, de 2 à 5% au taux de charge critique, taux pour lequel tous les grains de poudre sont en contact. Dans ce cas, la viscosité est encore assez faible pour permettre une bonne injection et le contact entre les grains de poudre est suffisant pour que la forme de la pièce soit parfaitement maintenue au cours du procédé.

Typiquement, selon les poudres et les liants utilisés,  les taux de charge varient entre 50 et 65% en volume.

Une fois le feedstock développé, mis sous forme de granulés, des pièces avec des degrés de complexité différents sont mises en forme par moulage par injection grâce à des presses à injecter, semblables à celles de l’industrie plastique.

Le cycle d’injection se déroule alors de la manière suivante : la matière placée dans la trémie de la presse à injecter arrive dans le fourreau, elle est convoyée par une vis sans fin et chauffée par apport thermique. La vis s’arrête alors de tourner, le remplissage du moule est alors réalisé sous pression. Le mélange est ensuite compacté dans l’empreinte durant le maintien en pression (permettant de fournir la quantité de matière nécessaire pour compenser la réduction de volume). La pièce est ensuite éjectée lorsque le mélange est suffisamment refroidit (rigidité suffisante). A ce stade du procédé, la pièce injectée est appelé « cru d’injection » ou elle est dite « verte ».

Comme pour l’injection plastique, une attention particulière doit être portée à l’emplacement des points d’injection, aux éjecteurs, aux plans de joints. De même, une certaine expérience de l’injection permet de régler certains problèmes tels que les bavures ou les défauts de moulage. Comparés aux systèmes d’injection plastique, dans le cas du procédé PIM, vis et fourreau subissent parfois un traitement de surface pour augmenter la résistance à l’abrasion et/ou à l’érosion chimique. Remarquons aussi simplement que le diamètre de la vis doit être adapté au volume de la pièce à injecter afin de limiter au maximum le temps de séjour de la matière dans le fourreau. Plus celui-ci est long et plus le risque de dégrader la matière dans le fourreau sera important. De même, dans le cas de feedstock, lors de l’étape du dosage pour amener la matière en tête de vis, des vitesses de rotation faible seront privilégiées afin de ne pas séparer la charge du liant. Au niveau du moule, il est important de remarquer, que dans le cas du procédé PIM, les dimensions des empreintes sont surdimensionnées vis-à-vis de la taille finale des pièces. Les pièces vertes ne présentent pas les mêmes dimensions que les pièces finales du au phénomène important de retrait qui intervient lors de l’étape de frittage. Ce retrait doit donc être pris en compte dès la conception du moule. Ce surdimensionnement est alors déterminé avec précision pour respecter les tolérances imposées sur la pièce finale.

Principaux paramètres

Afin de réaliser une pièce verte sans défauts tels que des gradients de densité, fissures ou porosités, différents paramètres doivent être parfaitement contrôlés en tenant compte des caractéristiques du feedstock (viscosité, conductivité thermique…). Ainsi, les principaux paramètres de moulage sont les suivants : température matière, température moule, pression d’injection et vitesse d’injection.

La température matière influe principalement sur la viscosité du feedstock qui diminue quand la température augmente. Plus la matière est chaude, plus on favorise un bon remplissage du moule, mais une température trop importante peut aussi dégrader le feedstock. Généralement, il faut augmenter la température lorsque la matière a du mal à rentrer dans le moule. On augmente ainsi la fluidité ou la plage de temps pendant laquelle la matière est fluide mais le paramètre de température matière se travaille en parallèle du paramètre température moule qui lui est intimement lié. En effet, tout comme la température matière, la température du moule conditionne l’écoulement du feedstock.

La pression d’injection est aussi un paramètre déterminant qui influe sur les tensions internes, sur le retrait et sur la stabilité dimensionnelle. Plus la pression sera appliquée longtemps et de manière homogène et plus la pièce sera stable dans le temps. Pour que la pression d’injection et de maintien soit donc appliquée de manière optimale, il faut en préalable que l’outillage autorise cette application et donc que les seuils d’injection soient assez gros. Typiquement les pressions d’injection peuvent atteindre 1500-2000 bars.

La vitesse d’injection agit directement sur la viscosité du polymère puisque cette dernière est fonction du cisaillement de la matière et de la température. Ce paramètre intervient sur les déformations (retassures), sur la structure et les orientations de la matière, les propriétés mécaniques et sur l’état de surface de la pièce. Plus la vitesse est élevée, plus la matière reste chaude et meilleurs sont les états de surface. Cependant, une vitesse trop importante peut avoir des effets néfastes sur la pièce (brûlures, ségrégation poudre/liant).

Quelques défauts d’injection rencontrés

Les défauts d’injection ont toujours plusieurs causes possibles liés à la matière, à la géométrie de la pièce, à la conception et la réalisation de l’outillage (points d’injection, éjecteurs et plans de joint…) et enfin aux paramètres d’injection. Les défauts d’injection conduisent à la formation de fissures, de pores ou à des distorsions dans les pièces frittées. Globalement ces défauts peuvent être classifiés en deux grands types : ceux liés à l’écoulement entrainant un mauvais remplissage du moule et ceux liés au refroidissement.

Notons par exemple le phénomène de jet libre qui est un défaut d’écoulement. Tout comme l’eau qui coule d’une bouteille, les trop faibles ou trop forts débits vont mener à un écoulement turbulent. Pour limiter ce phénomène, une solution peut consister à diminuer la vitesse d’injection pour avoir un flux laminaire. Une injection idéale consiste à former une bulle de plastique derrière le point d’injection puis de dérouler celle-ci le long des parois du moule en accélérant la vitesse d’injection une fois que la bulle est formée. Au niveau du moule il ne faut pas que la matière attaque plein champs mais en face d’une paroi qui joue le rôle de brise jet. Il faut également éviter les points d’injection trop petits car il y a trop de frein et la bulle de matière ne peut pas se former et elle prend la forme de jet.

Illustration du phénomène de jet libre

Lorsque la vitesse d’écoulement de la matière dans le moule est vraiment trop faible, la matière avance par à coup et la pièce présente alors un aspect de peau d’orange. Il faut donc augmenter la température et la vitesse d’injection pour remédier à ce problème.

Les retassures sont liés au refroidissement et apparaissent lors des changements de section importantes et au niveau des nervures. A la jonction, l’épaisseur n’est pas constante et comme le retrait est proportionnel à l’épaisseur, il y a une creusure. Pour contrer ce phénomène aux jonctions des nervures, il faut prendre en considération le temps de refroidissement qui évolue avec le carré de l’épaisseur. Si la nervure a une épaisseur de e/2, elle se solidifiera 4X plus vite et elle sera donc solide pour le reste du refroidissement et la solidification sera identique partout. Les retassures étant le produit du refroidissement, elles sont d’autant plus présentes que le moule est chaud.

Un des défauts spécifiques au procédé PIM est le phénomène de ségrégation entre le liant et la poudre, phénomène toujours difficile à régler car ses origines sont encore mal identifiées. Cette ségrégation, souvent non identifiable après injection, a des conséquences dramatiques sur l’intégrité des pièces frittées puisqu’elle engendre des retraits anisotropes et donc des déformations très importantes. Ce phénomène est notamment favorisée par l’utilisation de liant présentant des viscosités faibles (tels que des cires par exemple).

Illustration du phénomène de retrait non homogène dû à une ségrégation de poudre dans la pièce verte (la zone la moins dense présente un retrait plus important lors du frittage)

Le déliantage est une opération clef du procédé qui consiste à enlever les liants organiques du feedstock une fois la pièce injectée. La qualité de cette opération est fondamentale pour ne pas provoquer de dégâts physiques (fissurations) ou chimiques (carburation) à la pièce. En effet, les liants étant fortement carbonés, une élimination incomplète de ceux-ci provoque une augmentation du taux de carbone dans la pièce lors du frittage. Une part très importante des défauts qui apparaissent après frittage est générée par un déliantage inadéquat. Les paramètres de déliantage (température, atmosphère, …) dépendent non seulement de la nature du liant, mais également de la nature de la poudre (métallique ou céramique).

Dans la majorité des cas, les liants organiques utilisés conduisent à procéder à deux déliantages distincts. Le premier déliantage a pour but d’ouvrir des canaux depuis le cœur de la pièce jusqu’à sa périphérie, il subsiste alors encore une partie de liant organique dont le but est de maintenir à la pièce une résistance mécanique permettant de la manipuler.

Pour ce premier déliantage, différents procédés peuvent être cités :

• Déliantage catalytique (brevet BASF, procédé CATAMOLD) ; le liant, du polyacétal, est attaqué avec le l’azote et de l’acide nitrique, il se transforme en gaz et est brulé en sortie du four. C’est probablement le procédé le plus utilisé en Europe.
• Déliantage dans l’eau ; le liant est mis en solution dans l’eau, et « sort » de la pièce.
• Déliantage dans un solvant ; le liant est mis en solution dans un solvant, puis par distillation, on sépare le liant du solvant et on régénère le solvant.
• Déliantage thermique ; le liant est vaporisé par augmentation de la température. Cette technique est généralement lente, assez consommatrice d’énergie et donc peu productive.

Le 2^ème déliantage; quasiment toujours thermique, a pour but d’éliminer le reste de liant organique, non éliminé lors du premier déliantage. Il est possible et avantageux de procéder au 2^ème déliantage dans le même four et dans le même cycle que le frittage, pour diminuer les manipulations, les pertes d’énergie et éviter les oxydations qui peuvent se produire après le 2^ème déliantage, souvent appelé alors étape de pré-frittage

En fonction de la matière et du feedstock utilisés, le taux de liant peut varier entre 35%vol et 50%vol. Ceci correspond à un retrait linéaire (diminution entre cote injectée et cote frittée) de l’ordre de 13 à 21%.

Dans les différentes étapes du procédé, c’est sans doute l’opération la plus simple et en tout cas celle qui nécessite le moins de réglages mais c’est certainement la plus dangereuse et la plus difficile à contrôler. C’est également celle qui a le plus d’impact sur les installations comme par exemple les résidus de carbone à l’intérieur des fours.

Une fois, l’étape de déliantage terminée, la pièce doit être consolidée par une étape de frittage qui lui donne la cohésion et la microstructure typique du matériau final. Le frittage est un procédé thermique qui permet, en chauffant des poudres compactées, généralement en dessous de leur point de fusion, de leur donner une cohésion après refroidissement. Le four du potier est un four de frittage ! Le frittage s’accompagne d’un retrait contrôlé.

Le principe du frittage est basé sur la diffusion atomique : des particules métalliques ou céramiques en contact se soudent par des phénomènes de transport atomique par diffusion si elles sont soumises à des températures supérieures à la moitié de leur température absolue de fusion.

Il existe deux types de frittage selon s’il s’agit d’un frittage en présence ou non d’une phase liquide.

En absence de phase liquide, les forces d’attraction entre particules, plus importantes que celles entre une particule et les gaz qui remplissent les interstices, vont rapprocher puis souder les grains.

Notons que l’atmosphère dans laquelle baigne la pièce (vide ou pression, type de gaz) ainsi que la température sont des paramètres fondamentaux pour la qualité du frittage. D’autres phénomènes clefs doivent aussi être contrôlés tels que les phénomènes de désoxydation, la maîtrise du taux de carbone et l’évaporation de certains éléments. Typiquement, dans le cas de pièces métalliques obtenues par PIM, les atmosphères généralement utilisées sont réductrices afin d’éviter les phénomènes d’oxydation, d’autant plus importants que les poudres utilisées sont petites. La composition de l’atmosphère de frittage dépend alors bien évidemment du métal à fritter.

Dans le cas de la plupart des carbures métalliques, en particulier les carbures de tungstène WC,  le frittage est réalisé en présence d’une phase liquide. Prenons l’exemple des WC avec comme liant métallique le cobalt Co. Dans le domaine des températures de frittage, une phase liquide apparaît en surface des grains de WC. Cette phase « mouille » parfaitement les grains. De par les forces de capillarité, le retrait se fait facilement, et les pièces deviennent totalement denses.

Attention : Ne pas confondre un liant organique, qui est destiné à la mise en forme des pièces, et qui disparait complètement dans le produit fini, avec un liant métallique, qui entre dans la composition finale du produit.