Moulage par injection des poudres métalliques

L’industrie moderne exige la production de divers composants en grandes quantités avec des formes complexes et de petites tailles. Le choix d’une méthode de production appropriée pour de tels composants peut être une tâche difficile où l’usinage traditionnel est généralement dispendieux, le forgeage rentable seulement en haut volume de production, les pièces coulées ont souvent des tolérances faibles, un fini de surface faible et de propriétés mécaniques basses. Certains types de composants peuvent être efficacement produits par des méthodes de métallurgie des poudres et plus spécifiquement par l’injection des poudres métalliques (en anglais Powder Injection Molding, PIM). Elle met en jeu la mise en forme de pièces de forme complexes à partir de l’injection sous pression d’un mélange de poudres (métallique ou céramique) et d’un liant polymérique et elle était utilisée avec succès depuis les années 1930. Par contre à cette époque, la forte variation des dimensions des pièces injectées et la faible qualité des équipement ne favorise pas le développement de cette technologie de fabrication où la maitrise du procédé est perceptible plutôt à partir des années 1970 (Chang & Zhao, 2013).

Même si le prix de certaines poudres PIM demeure élevé, l’utilisation de ce procédé est toujours en croissance depuis cette date. En 2010, à titre d’exemple, 8000 tonnes de poudre métallique ont été consommées dans le monde par le procédé PIM (i.e., taux de croissance annuel de près de 20%). Le procédé PIM est utilisé afin de produire, à un coût relativement faible, des pièces qui ont des géométries complexes et des bonnes propriétés mécaniques avec une masse volumique finale typiquement entre 95 et 100% et une tolérance dimensionnelle allant jusqu’à 0.5%. Ces différentes caractéristiques ont donné l’opportunité d’utiliser le procédé de PIM pour fabriquer des pièces utilisées dans plusieurs domaines d’application (Figure 1.1). En 2011, les entreprises de PIM ont été intéressées à investir dans divers secteurs tels que les produits industriels qui possèdent 23% de marché mondial de PIM, le secteur électronique avec 11%, 8% dans le domaine médical et plusieurs d’autres domaines comme le domaine automobile, le dentaire, l’aéronautique et le militaire (Heaney, 2012).

Injection des poudres métalliques à haute et à basse pression

Il existe deux méthodes principales du procédé PIM, soit le moulage par injection des poudres à haute pression (en anglais High-Pressure Powder Injection Molding, HPIM) qui est largement utilisé dans l‘industrie depuis plusieurs décennies, et le moulage par injection des poudres à basse pression (en anglais Low-Pressure Powder Injection Molding, LPIM) qui est relativement récent. La technologie HPIM est adaptée à un volume de production élevé car le coût des presses à injection et de l’outillage est très élevé afin de produire et supporter des pressions élevées pouvant aller jusqu’à 200 MPa. L’étape d’injection requiert une pression élevée car les mélanges utilisés possèdent une grande viscosité variant généralement entre 100 et 1000 Pa·s. Les mélanges HPIM sont généralement constitués de cire, d’agent surfactant et d’un polymère de soutien (aussi appelé backbone polymer en anglais). L’utilisation de tels mélanges permet d’éviter la séparation des poudres et du liant (phénomène aussi appelé la ségrégation des poudres) et ainsi maintenir l’homogénéité du mélange pendant toutes les étapes du procédé.

Par contre, cette grande viscosité limite directement la fluidité du mélange et donc, la complexité des pièces injectées. Pour sa part, la technologie LPIM utilise des pressions d’injection faibles (< 1 MPa) car la viscosité du mélange dépasse rarement 50 Pa·s (typiquement entre 1 et 20 Pa·s) (Kamal & Isayev, 2012). Cette faible viscosité favorise la fabrication de pièces de forme complexe produites aussi bien à haut et faible volume de production. En effet, la faible viscosité des mélanges fait en sorte que la pression d’injection requise est faible diminuant ainsi la taille de la presse à injection et de l’outillage. Les mélanges LPIM sont généralement constitués de cire, d’agent surfactant et d’un agent épaississant, c’est- à-dire que le polymère de soutien est absent. L’utilisation de tels mélanges favorise par contre le phénomène de ségrégation des poudres qui peut être minimisé par l’épaississement des mélanges et/ou différentes stratégies au niveau de l’injection pour maintenir l’homogénéité du mélange. Le Tableau 1.1 présente les caractéristiques propres à chacun des deux procédés.

Simulation numérique du moulage par injection de poudres

Le développement du procédé PIM (et plus particulièrement du LPIM dans le futur) et des nouveaux produits peuvent s’appuyer sur la simulation numérique afin d’optimiser les paramètres de l’étape d’injection puisqu’elle offre la possibilité de remédier les défauts de conception du moule avant d’entamer l’étape de production et diminuer les coûts des essais de calibration (Barrière, Gelin, & Liu, 2002; Kennedy & Zheng, 2013). Lorsque le procédé est correctement simulé, il est possible de prédire les températures, les taux de cisaillement, les pressions et les vitesses du front de l’écoulement afin d’effectuer les ajustement requis en pratique. L’obtention de ces grandeurs physiques qui est parfois difficiles ou simplement impossible à obtenir expérimentalement permet de mieux comprendre la patron d’écoulement du mélange à travers la cavité du moule et de perfectionner les caractéristiques des pièces moulées. L’obtention d’un modèle de simulation précis doit inclure nécessairement des paramètres d’entrée décrivant les mélanges comme profil de viscosité et les propriétés thermiques tels que la chaleur spécifique et la conductivité thermique. Ces différents paramètres d’entrée sont essentiels puisqu’ils permettent de caractériser le comportement du mélange lors de son écoulement dans le moule mais aussi sa réponse au phénomène de convection et de conduction thermique avec le moule lors de l’injection et de la solidification.

Chaleur spécifique

La chaleur spécifique représente l’énergie nécessaire pour changer la température de 1 kg de matière de 1 kelvin. En simulation numérique, la chaleur spécifique est utilisée pour le lien entre la chaleur et la température lorsque le mélange s’écoule à travers la cavité. Lorsque le matériau se solidifie, une chaleur supplémentaire (chaleur latente) peut être créée, en particulier pour les matériaux semi-cristallins. Ceci est fréquemment ignoré par les logiciels de simulation car il nécessite un calcul explicite de la cristallisation, i.e., la valeur à un temps t + Δt en fonction de la valeur en t qui complexifie significativement le calcul (Kennedy & Zheng, 2013). La chaleur spécifique est généralement mesurée en fonction de la température par la technique de calorimétrie différentielle à balayage (DSC). Cette méthode consiste à chauffer le matériau à étudier avec une vitesse de chauffage bien déterminée et un débit d’un gaz inerte de 10 à 50 ml/min. On obtient le profil de flux de chaleur en fonction de la température. La différence de flux de chaleur entre le matériau et un matériau de référence (le sapphire dans ce cas) est enregistrée pour chaque température voulue comme montré à la Figure 1.4 conformément au standard ASTM E1269-11R18 (ASTM International, 2018).