Université de Franche-Comté

Fabrication rapide de micro-outillages de forme complexe par agglomération de poudres

Deux équipes de recherche bisontines, Modélisation et mise en forme des matériaux, du laboratoire de Mécanique appliquée Raymond Chaléat (LMARC) de l’université de Franche-Comté et le laboratoire de Microanalyse des surfaces (LMS) de l’École nationale supérieure de mécanique et des microtechniques, se proposent de développer de concert avec l’École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) et l’université de Berne une thématique microtechnique fondée sur la fabrication rapide de micro-outillages de forme complexe par agglomération de poudres. La technologie SLS (Selective Laser Sintering ou frittage sélectif par laser) sera utilisée pour réaliser tout ou partie du moule des pièces qui seront élaborées par le procédé MIP (moulage par injection de poudres).

•  Les procédés. La technologie SLS est un procédé de fabrication par addition dédié essentiellement au prototypage rapide. Elle consiste à construire des pièces tridimensionnelles strate après strate à partir de poudres métalliques ou céramiques. Les intérêts d’un tel procédé résident dans sa flexibilité (aucune limitation dans la complexité géométrique, notamment) et dans l’absence d’outils (répétabilité géométrique assurée). Malheureusement, les machines disponibles sur le marché ne permettent pas d’atteindre des précisions suffisantes (elles sont de quelques dixièmes de millimètres) pour dépasser le cadre du prototypage. Le MIP est un procédé de fabrication par réplication : un mélange polymère-poudres métalliques est injecté à une température suffisamment élevée. Le polymère joue le rôle de fluide porteur et vient remplir un moule. Après refroidissement, la pièce est démoulée. Ensuite, le liant polymère est éliminé dans une étuve de déliantage. Enfin, pour réduire la porosité résultante, le squelette de poudres passe dans un four de densification ; ainsi, on peut atteindre des densités proches du matériau brut. Lors de la phase de densification, on observe un retrait important, pouvant atteindre 20 %, qui rend difficile la mise au point des moules d’injection ; la conception d’un moule peut prendre facilement 6 mois ! Néanmoins, ce procédé est bien adapté aux moyennes séries et il est utilisé dans la région franc-comtoise pour la réalisation, entre autres, de produits portés (éléments de bracelet de montre, boîtiers de montre…).

•  Les compétences. Les laboratoires partenaires de ce projet apportent chacun des compétences complémentaires. L’EPFL possède une machine SLS commerciale EOS. Des moules pour l’injection plastique, avec des canaux de refroidissement optimisés, ont déjà été réalisés à l’aide de la station EOS mais la qualité des états de surface et les précisions dimensionnelles n’étaient pas entièrement satisfaisantes. Pour y remédier, l’EPFL a développé une machine en interne dédiée à la fabrication de composants centimétriques.

• Au LMARC, un pilote expérimental SLS dédié à la fabrication de microcomposants a été conçu, en prenant des choix technologiques spécifiques : source laser Nd:YAG couplé à un modulateur acousto-optique possédant un temps de coupure de 10 ns, balayage du faisceau laser basé sur des mouvements continus pour une meilleure précision de positionnement, petite enceinte à atmosphère contrôlée permettant de fritter toutes sortes de poudres. Un pilote expérimental complet pour le MIP avec l’instrumentation scientifique associée à la métallurgie des poudres (pycnométrie pour mesurer la porosité, dilatométrie) est également disponible, ainsi qu’une machine de micromoulage. Parallèlement, des logiciels de simulation de ces procédés sont développés par l’équipe. L’université de Berne apporte ses compétences en interaction laser-matière, phénomène prépondérant dans le procédé SLS. Elle donnera également accès à différentes sources laser (CO2, Nd:YAG pulsé…). Le LMS enrichit le partenariat d’une expertise sur les milieux pulvérulents ainsi que d’équipements pour manipuler aisément les poudres micrométriques et nanométriques et pour caractériser les milieux granulaires. Leur mise en dispersion aqueuse et leur déposition en mode uniforme est également un processus maîtrisé par le laboratoire : dernièrement, en collaboration avec le LMARC, l’étalement d’une couche homogène de poudres de tungstène et de cuivre de granulométrie moyenne de 3 œm a été réussi.

•  L’outillage rapide. L’objectif de ce partenariat consiste, d’une part, à coupler les procédés SLS et MIP afin de réduire de 6 à 1 mois la conception de moules d’injection, d’autre part, à atteindre des précisions de l’ordre du centième de millimètre pour les empreintes de moules réalisées par SLS, la limitation étant en grande partie fonction de la granulométrie des poudres utilisées. L’augmentation de la précision passera par la maîtrise des dépôts de poudres de très faible granulométrie en épaisseur micrométrique. L’augmentation de la résistance mécanique passera par la bonne adéquation laser-matière.

•  Le partenariat. Il s’agit de faire la promotion, dans notre région, de ces technologies innovantes. En effet, pour conforter les actions qui seront menées, un partenariat industriel étroit, notamment régional, serait bénéfique afin de comprendre les attentes et cibler les recherches et les développements. Les applications industrielles envisagées pourront concerner les parties de moules d’injection, les produits portés (lunetterie, joaillerie, horlogerie), les outils de découpe ou de mise en forme, les outils de la connectique, le biomédical (les implants, prothèses…). Les laboratoires sont à disposition pour renseigner sur le type de partenariat proposé.

 

Nathalie Boudeau
Laboratoire de Mécanique appliquée R. Chaléat
Université de Franche-Comté
Tél. 03 81 66 60 34
nboudeau@ens2m.frClaude Roques Carmes
Laboratoire de Microanalyse des surfaces
ENSMM
Tél. 03 81 40 28 51
lms-sec@ens2m.fr

 

 

retour