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Technologie PIM

Delphine AUZENE

Nogent, 29/11/2016

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Sommaire

1- Définition

2- Etapes de la technologie PIM

3- Positionnement du PIM par rapport aux autres procédés de mise en forme

4- Nuances utilisées dans le PIM

5- Le PIM face aux autres technologies

6- Domaines d’application

7- Les acteurs du PIM & MIM

8- Quelques propriétés des pièces PIM

9- Quelques exemples d’innovations dans la technologie PIM

10- Bénéfices et limites de la technologie PIM

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Le MIM est l’association et la synergie de 2 techniques classiques :

l’injection plastique et la métallurgie des poudres

Metal Injection Molding Ceramic Injection Molding Powder Injection Molding

Définition de la technologie PIM

4

5. Post-traitements

éventuels

1.Elaboration du feedstock

Poudre métallique

ou céramique Liant (polymères)

Feedstock

2. Injection

Liant / Poudre

Pièce verte

3. Déliantage

Pièce brune

4. Frittage

Pièce frittée

5

Le PIM est compétitif pour la fabrication :

Pièces de géométries complexes

De pièces de tailles petites et moyennes

En grandes séries

Le positionnement de la technologie PIM par rapport aux autres

procédés de mise en forme :

6 Source EPMA 2016

7 Source EPMA 2016

8

Les matériaux utilisés dans la technologie PIM :

Nuances métalliques

Aciers inoxydables : 17-4PH, 316L, 420, 310S, 430L & 440C

Aciers faiblement alliés : 4140, 8620 et 100Cr6

Aciers à outils : M2 & H13

Alliages fer/nickel

Alliages à base de tungstène

Titane & Alliages à base de Titane (TA6V)

Cuivre & Alliages à base de cuivre (bronze)

Superalliages à base de cobalt

Alliages magnétiques

Métaux réfractaires

Métaux durs (carbures,...)

Aciers inoxydables

46%

Cuivreux3%

Aciers 26%

Titane & alliages6%

Tungstène9%

Autres 3%

Nickel, Fer/Nickel7%

9

Les matériaux utilisés dans la technologie PIM :

Nuances céramiques

Alumine

Zircone

Carbure Tungstène

Silice

Céramique ferrite

Autres

Alumine 36%

Zircone17%

Carbure Tungstène

17%

Silice11%

Céramique ferrite4%

Autres 15%

10

Les types de pièces les plus appropriés à une fabrication MIM

Matière à point de fusion > 800°C

Conception pièce trop complexe pour les autres

procédés

Toute géométrie réalisable par moulage standard

d’injection plastique

Pièce de petite dimension

Masse : quelques mg à + 1 kg

Performances élevées

Excellent état de surface

Quantité annuelle > 10-15 000 pièces

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Le PIM face aux autres technologies :

MIM – Aspects techniques

Paramètres MIM Usinage Fonderie Estampage Pressage Frittage

Densité 95 à 98,5 % 100% 98% 100% 85 à 90 %

Résistance mécanique haute haute haute haute basse

Possibilité de réaliser des parois minces

élevée basse élevée élevée élevée

Complexité des pièces haute haute moyenne basse basse

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Le PIM face aux autres technologies :

CIM – Aspects techniques

Paramètres CIM Pressage Frittage

Densité 95 à 99,5% 70 à 90 %

Résistance mécanique moyenne moyenne

Possibilité de réaliser des parois minces

élevée moyenne

Complexité des pièces haute basse

Vis dentaires – ZrO2

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Les domaines d’application de la technologie PIM

Source EPMA 2016

Monde

horlogerie roue d’imprimante

Connectique en céramique

lunetterie

Pièces pour turbochargeur

Pièce pour mécanismes de

siège

Serrures de portière

Petits engrenages

Outils chirurgicaux

téléphonie

Brackets

Pièces pour

l’armement Lame en céramique

Accessoires

pour crayons

Scalpel en zircone

Automobile

Biens de consommation

Mécanique

Médical

Electronique

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Exemples d’application de pièces MIM…..

Secteur : automobile – turbocompresseur

Pièces : galets de réglage Matière : alliage 1.4841

(Fe-0.2C-2Mn-2Si-25Cr-21,5Ni-1,5Nb)

Masse : qq grammes

Quantité : 6 millions/an

Densité ≥ 7,4

Rm ≥ 500MPa, Re ≥ 200MPa, A ≥ 25%

Traitement spécifique après frittage

Précision dimensionnelle élevée

Coût moindre qu’en décolletage à partir d’une barre

Courtesy SCHUNK Sintermetalltechnik

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Exemples d’application de pièces MIM…..

Secteur : médical – unité d’agrafage chirurgical

Pièces : pignon d’articulation

Matière : 17-4PH

Densité > 7,69

Géométrie complexe + tolérances

dimensionnelles étroites

“net shape” sans opération de finition

Caractéristiques mécaniques :

Rm = 1 165 MPa

Re = 730 Mpa

dureté = 25 HRC

Gain économique : 70% par rapport au décolletage à partir de barres inox

Courtesy PARMATECH Corp.

Matières premières/feedstock BASF Allemagne PolyMIM Allemagne INMATEC Allemagne RYER USA

Equipements Arburg Allemagne Engel Autriche Battenfeld Allemagne Cremer Allemagne Elnik USA Lömi Allemagne

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Les acteurs du PIM :

www.designforpm.net

17

www.pmdatabase.com

www.epma.com (Europe)

www.pmai.in (Inde)

www.apma.asia (Asie)

www.mpif.org (Nord Amérique)

www.jpma.gr.jp (Japon)

Sur les designs de pièces issues de la métallurgie des poudres:

Sur les associations régionales de métallurgies des poudres:

Pour en savoir plus…

Sur les caractéristiques de pièces issues de la métallurgie des poudres:

18 Photo avant et après frittage

– Mise en évidence du retrait

V

H

Pièce verte

Pièce frittée

Retrait anisotrope

Matériaux isotrope

Evolution du retrait en 3D Evolution des tolérances

Dimension

nominale

( mm )

Tolérance

dimensionnelle

(± mm)

<3 ± 0,05

3-6 ± 0,06

6-15 ± 0,075

15-30 ± 0,15

30-60 ± 0,25

>60 ± 0,5% de la côte

nominale

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Caractéristiques qui sont propres à une pièce injectée

Pièce finale issue de la technologie PIM présente certaines caractéristiques :

Seuil

d’injection

Plans de

joint

Marques des éjecteurs

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Composition chimique

Semblable à la composition chimique de la poudre utilisée pour réaliser le feedstock

Caractéristiques dimensionnelles - Retrait

Retrait de l’ordre de 10 à 20 %

Densité – Porosité

Une pièce PIM est une pièce dense

densité pièce PIM > 97% de la densité théorique

porosité interne résiduelle (qq %),

Rugosité

Rugosité finesse de la poudre

+ la taille des poudre est fine, + la surface de la pièce sera lisse

Rugosité de l’ordre de quelques µm

Titane grade 4

Taux de porosité = 0,1 à 1,4 %

639603

508

452

0

100

200

300

400

500

600

700

Ti usiné Ti-MIM

Rm (Mpa)

Rp0,2% (Mpa)

21

Propriétés mécaniques - Microstructure

Pièce forgée Pièce MIM

Titane Structure

monophasée α

Taille de grains = -1/3

Densité = 4,5 g/cm3

Taille de grains = 5

Taux de porosité ≃ 1%

Densité = 4,32 g/cm3

Maillon estampée Outil chirurgical

Implant

dentaire

• Composites : Ti/ZrO2, 316L/Al2O3

3

3,5

4

4,5

0 10 20 30 40

De

ns

ité

(g

/cm

3)

Porosité (%)

Ti/ZrO2 (% mass.)100/0

90/10

80/20 60/40

5

5,5

6

6,5

7

7,5

8

0 10 20 30

De

ns

ité

(g

/cm

3)

Porosité (%)

316L/Al2O3 (% mass.)100/0

90/10

95/5

Microstructure Ti/ZrO2 – 90/10

Microstructure 316L/Al2O3 – 90/10

Intérêt : création d’un réseau à porosité contrôlée

Quelques innovations dans la technologie PIM…

111 110

17

0,0

20,0

40,0

60,0

80,0

100,0

120,0

140,0

non-MIM-Ti MIM-Ti (100) 80/20

Module de Young - E (Gpa)

E80/20 (17GPa) ≃ Eos humain (10-30GPa)

Insertion de

céramique dans la

matrice métallique

Création d’un réseau de

pores interconnectés

Module de Young

(E) ↘

Ostéointégration

favorisée

Application :

secteur biomédical

(dispositifs implantables)

0

100

200

300

400

500

600

700

non-MIM-Ti MIM-Ti (100) 80/20

Rm - Rp0,2 (Mpa) - A (%)

Rm (Mpa)

Rp0,2 (Mpa)

A (%)

Intérêt :

Produire de manière économique des pièces de

forme complexe et/ou combinaison de propriétés

différentes au sein d’une même pièce avec

élimination de l’étape de brasage, soudage.

Qualité de l’assemblage meilleure et les défauts

moindres surtout pour les petites pièces

=> Avantage compétitif

Co-frittage – 2 pièces de nuances différentes :

316L (non magnétique) / 17-4PH (magnétique)

316L 17-4PH

Co-frittage

24

Co-frittage de pièces composites : Ti // Ti/ZrO2

Ti/ZrO2

Ti

Ti – Ti/ZrO2 (90/10)

Co-frittage réussi

Exemple d’application : dispositifs

implantables (implants dentaires)

Ostéointégration favorisée

ETi/ZrO2 ≈ Eos humain

Co-frittage

25

26

Conclusion

27

Le PIM est compétitif pour la fabrication :

Pièces de géométries complexes

De pièces de tailles petites et moyennes

En grandes séries

28 28

Les bénéfices et les limites des pièces MIM par rapport à l’usinage

et au décolletage….

Bénéfices apportés

pièces « near net shape », sans

reprise d’usinage

faible coût : complexité géométrique

« gratuite »

même flexibilité que l’injection

plastique

aptitude à réaliser des formes

complexes dans des métaux difficiles

à usiner

large choix de matériaux métalliques

et céramiques

densité : 95-99,5%

excellentes propriétés mécaniques

tolérances dimensionnelles : ± 0,5%

Limites

poudres spécifiques, onéreuses

procédé de déliantage dépendant du

feedstock utilisé

retrait de 12 à 20%

conception du moule

La véritable efficacité du MIM commence là où les technologies concurrentes sont à

leurs limites

29

Merci de votre attention

Delphine AUZENE – Responsable plateforme PIM

CRITT-MDTS

3bd Jean Delautre - 08000 Charleville-Mézières

d.auzene@critt-mdts.com

Tél : 03.24.37.89.89

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Références bibliographiques :

« Handbook of metal injection molding », Donald F. Heaney, Woodhead publishing, 2012

documentation sur la technologie PIM du Groupe Francophone du PIM

A Manufacturing Process for Precision Engineering Components – EPMA

www.epma.com/New_non_members/MIM.htm#process

« Guide des bonnes pratiques » – Technologie PIM – PRISTIMAT

http://materiaux.ecam.fr/savoirplus/pim/index.html

Techniques de l’ingénieur, « Procédé de frittage PIM », m33230, 2011

http://www.pmdatabase.com

« Metal Strikes Back », SIRRIS (Liège), 24/11/2009

« Réaliser une pièce complexe sans usinage par métallurgie des poudres », J.-P. Durand,

société MAGETEX, Intercut 22-23 octobre 2008

Philippe Gundermann, Overview of the status and trends in the European PM Industry,

EURO PM2013

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31

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B. P. Smarslok and R. M. German, “Identification of Design Parameters in Metal

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P. Suri, B. P. Smarslok, and R. M. German, “Impact Properties of Sintered and

Wrought 17-4 PH Stainless Steel,” Powder Metallurgy, 2006, vol. 49, pp. 40-47.

S. R. Collins, “Corrosion Resistance of MIM 316L,” Advances in Powder Metallurgy

and Particulate Materials - 2002, Metal Powder Industries Federation, Princeton, NJ,

2002, pp. 10.240-10.254.

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Lubricating Wear Resistant Materials Through MIM Process,” Journal of the Japan

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Proceedings of the First European Symposium on Powder Injection Moulding, European

Powder Metallurgy Association, Shrewsbury, United Kingdom, 1997, pp. 25-30.