Le procédé PiM

un procédé industriel éprouvé
adapté à l'impression 3D

Procédé de fabrication des granulés PiM

Comparé à la forge ou à la fonderie de pièces métalliques, le MiM (Metal injection moulding ou en français, Moulage par Injection de Métal) est très récent, cette technique appartient à la famille des PIM’s (Particle Injection Moulding, ou en français, Moulage par Injection de Poudres).

Des travaux sont initiés aux États-Unis dans les années 1920’s sur de la céramique (CiM – Ceramic injection Moulding, ou en français Moulage par Injection de Céramique). L’idée originelle était de plastifier des poudres, c’est-à-dire leur donner des propriétés plastiques en les enrobant de matières organiques. Ce « composite » au comportement thermoplastique est par la suite formé à l’aide d’une presse et d’un moule d’injection pour obtenir une pièce plus ou moins complexe.

Pendant la seconde guerre mondiale, les travaux ont été étendus sur de la poudre métallique, ce n’est qu’à partir des années 1970’s que les applications industrielles du procédé MiM font surfaces.

Depuis, le marché du MiM c’est énormément développé et sur un large éventail d’applications industrielles, telles que l’automobile, l’horlogerie, la défense, l’aérospatial, le médical (prothèses, implants, sondes, etc.), la connectique, etc. Bref, nous croisons tous dans notre quotidien et sans en avoir conscience des pièces issues des procédés MiM.

Le procédé PiM est un procédé de fabrication de pièces indirectes, c'est-à-dire que pour obtenir une pièce 100 % métallique ou céramique, il est nécessaire de post-traiter les pièces formées. Globalement, le processus PiM se décompose en trois grandes étapes.


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PiM Shaping process

Mise en Forme

la première étape dans la fabrication de pièces MIM se fait soit par un procédé conventionnel en injectant un feedstock dans un moule sous pression à l’aide de presse d’injection, soit en utilisant des technologies de fabrication additive métal compatibles avec ces matériaux.

La pièce produite est une préforme, appelée « pièce verte ». Le taux de liant contenu dans les pièces vertes varie en fonction de sa nature chimique et des poudres utilisées ; le pourcentage de liant est généralement compris entre 35 et 50 % en volume.


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Déliantage

Il s’agit d’une opération clés du procédé PIM, elle permet de préparer les pièces pour le cycle de frittage et consiste à enlever environ 98 % des liants organiques contenus dans la pièce verte. Le liant résiduel est nécessaire à la manutention de la pièce déliantée, appelée « pièce brune » et permet de lui assurer une bonne stabilité lors du processus de frittage.

La qualité de cette opération est fondamentale pour ne pas provoquer de dégradations physiques (fissurations) ou chimiques (carburation) à la pièce. Une part très importante des défauts qui apparaissent après frittage est générée par un déliantage inadapté.

Selon la nature chimique du liant, le déliantage pourra être effectué par voie catalytique, thermique ou par solvant. À l’issue du cycle de déliantage, la pièce n’a pas subi de changement dimensionnel (retrait).


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PiM debinding process



PiM sinering process

Frittage

un cycle de pré-frittage, également appelé 2nd déliantage, est généralement réalisé en amont du frittage. Il a pour objectif d’éliminer le liant organique résiduel conservé à l’issue du cycle de déliantage. S’en suit un cycle de chauffe, appelé frittage, permettant de souder les particules métalliques entre elles, c’est lors de cette étape que les propriétés mécaniques sont données à la pièce finale, appelée « pièce frittée ».

Cette opération se déroule à une température avoisinant le point de fusion du métal traité, sous atmosphère contrôlée et parfois sous vide. Le mélange gazeux composant l’atmosphère de frittage est spécifique pour chaque métal à fritter, il a pour objectif de réduire entre autres l’oxyde présent à la surface des poudres. Le retrait accompagnant le frittage est important, contrôlé et isotrope.




Foire aux questions



La technologie Pam étant ouverte sur les matériaux, le consommable est largement disponible, sous son format industriel, c’est-à-dire à son juste prix.
C’est bien cette différence technologique qui permet d’accéder à la plus large bibliothèque de matériaux MIM du marché.
Notons que presque tous les alliages pouvant être atomisés sous forme de poudre peuvent être traités en MIM et donc avec la PAM.

Ces alliages peuvent être classés en quatre catégories :
- Alliages ferreux : aciers, aciers inoxydables, aciers à outils, alliages magnétiques fer-nickel et alliages ferreux spéciaux ;
- Alliages de tungstène : alliages lourds de tungstène et tungstène-cuivre ;
- Matériaux durs : carbures cémentés (Carbure de tungstène) et cermets (matériau composite composé d’un renfort en céramique (Cer) et d’une matrice métallique (Met)) ;
- Matériaux spéciaux : comprenant les métaux précieux (argent, cuivre, or, etc.), les alliages de titane, l’aluminium, le chrome-cobalt, le nickel, les superalliages à base de nickel, le molybdène, et les composites particulaires.

Bref, vous l’aurez compris, le MIM offre une gamme de matériaux utilisable très large et ils sont compatibles avec la PAM. Pour cela, l’utilisateur pourra régler les paramètres machine spécifique au feedstock MIM choisi et rendre la production de pièces reproductibles.
Le nombre d’alliages disponibles pour l’impression 3D MIM-Like est intimement lié à la technologie utilisée et au caractère ouvert sur les matériaux de celle-ci. En effet, en faisant le choix d’une machine dite « fermée » (où le consommable est développé et commercialisé par le fournisseur de machines), l’utilisateur sera limité par le potentiel d’innovation et la capacité de mise sur le marché de nouvelles matières premières. Par ailleurs, le coût matière sera bien supérieur à son équivalent en granulé, car la fabrication de formats spécifiques (filaments, barreaux, etc.) nécessite des étapes de fabrications supplémentaires, des ajustements de formulation et de composition.

A l’inverse l’utilisation d’un système dit « ouvert » sur les matériaux et compatible avec les granulés industriels permettra à l’utilisateur de bénéficier de l’ensemble du catalogue matière MIM déjà disponible, à son coût le plus bas et de ne pas être dépendant d’un fournisseur, etc.
Le MiM est un candidat idéal pour la fabrication additive métallique et en particulier comparé aux procédés de fusion laser sur lit de poudre, qui restent des solutions onéreuses et contraignantes (sécurité, utilisation, etc.).

En effet, la prise en main et l’opérabilité des systèmes FDM sont très accessibles. Les investissements initiaux, les coûts de maintenance et de fonctionnement sont relativement faibles comparés aux solutions de type DMLS / SLM. De plus, la poudre étant plastifiée, elle n’est pas volatile. La poudre, ne représente donc aucun risque d’hygiène et de sécurité contrairement aux solutions classiques à fusion laser sur lit de poudre, où elle est « libre ».

Par rapport à une solution DMLS / SLM, une machine Pam Series MC, dédiée aux applications MiM-Like, représente :
- un investissement initial 5 à 10 fois inférieur,
- un coût de consommable le plus bas du marché, en moyenne 10 fois inférieur,
- pas d’investissement en équipements et infrastructures spécifiques (salle blanche, combinaisons de sécurité, ventilation, etc.).

D’un point de vue investissement, il faut bien entendu considérer les installations déjà en place, en effet, la production de pièces MIM nécessite des équipements de post-traitement. Pour une entreprise disposant déjà de ces équipements, l’investissement dans une Pam Series MC est particulièrement compétitif. A l’inverse, les investissements concernant une station de déliantage et un four de frittage peuvent être couteux et exigent une expertise pour les qualifier vis-à-vis des applications et des matières envisagées. Même s’il existe des équipements dits « de bureau », représentant des investissements modérés ; ils restent limités et ne permettent pas un traitement optimum des matériaux.
En effet les cycles de déliantage et de frittages sont des étapes cruciales nécessitant maitrise et expertise. Pour obtenir des pièces aux qualités désirées, plusieurs règles de conceptions sont à prendre en compte dont :

- Épaisseur de paroi : il est conseillé de concevoir des pièces avec des épaisseurs de paroi uniforme afin d’éviter la distorsion et les fissures. Des variations brusques de ces épaisseur peuvent entraîner des variations de retrait pendant le frittage, rendant ainsi le contrôle dimensionnel difficile. Plus l’épaisseur de paroi sera importante, plus le cycle de déliantage sera long et incertain

- Structure d’appui : il est préférable pour les pièces PiM de concevoir une surface plane sur laquelle elles pourront être positionnées pour le frittage et d’éviter leur affaissement. Des structures de support peuvent être créées pour minimiser l’affaissement des pièces lors du processus de frittage.

- Retrait : la « pièce brune » obtenue après le cycle de déliantage a une structure poreuse, due à l’élimination du liant organique. Lors du processus de frittage, les particules de poudre sont portées à une température proche de leurs points de fusion permettant aux poudres de se rapprocher les unes des autres, réduisant ainsi la quantité des pores présents dans la pièce.
Simultanément, un retrait dimensionnel se produit, il est dû à l’élimination de la porosité dans l’agglomérat de poudres. Ce retrait est linéaire, c’est-à-dire identique dans les trois directions, sa valeur est fonction de la teneur initiale en volume de liant organique, il se situe entre 12 et 20 %. Le coefficient de retrait est une valeur communiquée par les fournisseurs de matériaux PiM. Il est à anticiper lors de la phase de conception des pièces en appliquant ce coefficient multiplicateur à la préforme.
MIM states