Les différentes étapes du procédé PIM

Le procédé PIM combine injection plastique et métallurgie des poudres. Il associe donc la souplesse de l’injection plastique à la qualité et la puissance de la métallurgie des poudres. Cette association ouvre la voie à de nouveaux concepts de fabrication de pièces complexes en moyennes et grandes séries. Des pièces métalliques ou céramiques peuvent donc être imaginées et réalisées comme des pièces plastiques. Ainsi, des pièces de formes très complexes peuvent être obtenues directement ou avec seulement de petites opérations d’usinage. L’état de surface, et la précision des pièces obtenues par PIM sont excellents. De ce fait, on peut éliminer ou réduire des opérations de finition et de polissage. Des réductions de coûts de production importantes sont possibles par rapport au frittage de pièces pressées.

Le procédé de moulage par injection de poudres (PIM) a d’abord été adopté par l’industrie céramique dans les années 70. Ce procédé s’est ensuite développé plus largement dans le domaine des poudres métalliques. Même si l’industrie PIM a connu une forte croissance depuis sa naissance, le nombre de pièces obtenues par ce procédé reste faible en comparaison du nombre total de pièces obtenues par des techniques conventionnelles de métallurgie des poudres et des céramiques techniques.

Le principe du procédé se décompose en quatre étapes :

  • l’élaboration du feedstock qui consiste à mélanger une poudre et un liant à base de polymères
  • le moulage où le feedstock sous forme de granulés est placé dans une presse à injecter
  • le déliantage où les liants organiques du feedstock sont éliminés
  • puis le frittage, traitement thermique effectué en dessous de la température de fusion du matériau considéré. Il permet de consolider la pièce pour passer d’un empilement dense de poudre à une pièce massive avec une microstructure définie et des propriétés spécifiques.

Certaines opérations telles que de la compression isostatique à chaud, du ré-usinage ou des opérations de terminaison (polissage, microbilllage…) peuvent ensuite être nécessaires selon les attentes spécifiques à l’application des pièces réalisées ou les critères esthétiques de celles-ci.

Notons que les termes MIM et CIM sont respectivement associés au procédé de moulage par injection de poudre métallique et céramique.

Élaboration du feedstock

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.

 

Injection
Déliantage
Frittage