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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
Tél : 03.24.37.89.89
30
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
R. M. German, Powder Injection Molding – Design and Applications, Innovative Material
Solutions, State College, PA, 2003; available from the Metal Powder Industries Federation
31
G. M. Brasel and J. A. Sago, “Designed form MIM: An Enabling Technology,”
Advances in Powder Metallurgy and Particulate Materials - 2004, Part 4, Metal Powder
Industries Federation, Princeton, NJ, 2004, pp. 125-141.
B. P. Smarslok and R. M. German, “Identification of Design Parameters in Metal
Powder Injection Molding,” Journal of Advanced Materials, 2005, vol. 37, no. 4, pp. 3-11.
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.
H. Miura, H. Morikawa, Y. Kawakami, and A. Ishibashi, “Development of Self-
Lubricating Wear Resistant Materials Through MIM Process,” Journal of the Japan
Society of Powder and Powder Metallurgy, 1998, vol. 45, pp. 436-441.
R. M. German and D. Blaine, “Production Cost Sensitivity Analysis for Metal Powder
Injection Molding,” Advances in Powder Metallurgy and Particulate Materials - 2004,
Part 4, Metal Powder Industries Federation, Princeton, NJ, 2004, pp. 1-10.
F. Zweig, “Practical Guide to PIM Production – Metals,” Powder Injection Moulding,
Proceedings of the First European Symposium on Powder Injection Moulding, European
Powder Metallurgy Association, Shrewsbury, United Kingdom, 1997, pp. 25-30.
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