APPAREIL POUR LA FABRICATION D'UNE PIÈCE EN MÉTAL AMORPHE ET PROCÉDÉ DE FABRICATION D'UNE TELLE PIÈCE

Abstract

 L'invention concerne un appareil pour la fabrication d'une pièce en métal amorphe ou partiellement amorphe, comprenant : un moule (3) comprenant un corps en deux parties (4, 5) mobiles l'une par rapport à l'autre, le moule (3) pouvant prendre un état fermé où les deux parties (4, 5) forment entre elles une cavité de moulage (17) et un état ouvert où les deux parties (4, 5) sont éloignées l'une de l'autre pour permettre le démoulage; un dispositif (20, 31) permettant l'introduction de métal fondu dans la cavité de moulage (17) ; et un dispositif de refroidissement permettant au métal de se solidifier dans la cavité de moulage (17) et, une fois solidifié, d'être amorphe ou partiellement amorphe. Le moule (3) comprend, entre les deux parties (4, 5) du corps, au moins un élément intermédiaire (50) réalisé au moins partiellement selon le procédé LIGA et/ou par découpe laser et définissant au moins en partie la cavité de moulage (17). L'invention porte aussi sur un procédé de fabrication d'une pièce en métal amorphe ou partiellement amorphe.

Description

[0001] La présente invention concerne la fabrication de pièces en métal amorphe ou partiellement amorphe.

[0002] Les métaux amorphes, appelés également verres métalliques, ont des propriétés particulièrement intéressantes, notamment une limite élastique élevée, une grande résistance à l'usure et à la fatigue (du fait de l'absence de grains), une grande dureté et une bonne résistance chimique. Ces propriétés peuvent avantageusement être exploitées dans différentes sortes d'applications, notamment en horlogerie.

[0003] Ces matériaux ne sont cependant pas faciles à usiner. Une manière de les mettre en forme proprement, sans les détériorer, est le moulage, en particulier le moulage par injection. Les appareils et techniques de moulage des métaux amorphes sont spécifiques en ce sens qu'ils doivent permettre une montée en température du matériau au-delà de sa température de fusion puis un refroidissement suffisamment rapide du matériau introduit dans le moule, pour l'empêcher de cristalliser.

[0004] Un exemple d'appareil et de procédé de moulage de métaux amorphes est décrit dans la demande de brevet US 2021/0276079 au nom de Amorphous Metal Solutions GmbH.

[0005] La présente invention vise à améliorer la précision de fabrication de pièces en métal amorphe ou partiellement amorphe.

[0006] A cette fin, il est proposé un appareil selon la revendication 1 et un procédé selon la revendication 14.

[0007] D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée suivante faite en référence aux dessins annexés dans lesquels :

• la figure 1 montre un appareil pour la fabrication d'une pièce en métal amorphe ou partiellement amorphe selon un mode de réalisation particulier de l'invention ;
• la figure 2 montre plus en détail des éléments intermédiaires utilisés dans l'appareil selon l'invention.

[0008] La figure 1 montre un appareil 1 pour la fabrication de pièces de micromécanique en métal amorphe ou partiellement amorphe selon un mode de réalisation particulier de l'invention. Cet appareil 1 est basé sur l'enseignement de la demande de brevet US 2021/0276079 et la plupart de ses éléments sont repris du mode de réalisation de la figure 1a de ladite demande de brevet.

[0009] Cet appareil 1 comprend, à l'intérieur d'un boîtier 2, un moule 3 dont le corps est en deux parties 4, 5 mobiles l'une par rapport à l'autre. Dans une première position relative des parties 4, 5 (position fermée, qui est la position illustrée à la figure 1), les deux parties 4, 5 sont l'une contre l'autre et forment entre elles une cavité de moulage 17. Dans une deuxième position relative des parties 4, 5 (position ouverte, non représentée), les deux parties 4, 5 sont distantes l'une de l'autre et le moule 3 est ainsi ouvert, ce qui permet de démouler le matériau mis en forme et solidifié dans la cavité de moulage 17. Le déplacement des parties 4, 5 est assuré par des tiges 6, 7 actionnées par des moteurs 8, 9 dans la direction des doubles flèches 10, 11. Ce déplacement est horizontal dans l'exemple illustré mais il pourrait être vertical comme l'enseigne également la demande de brevet US 2021/0276079.

[0010] Le moule 3 est refroidi par un dispositif de refroidissement (non représenté) utilisant un fluide de refroidissement tel que de l'eau, de l'air et/ou de l'huile et comprenant par exemple des conduits internes d'écoulement du fluide de refroidissement formés dans le corps du moule 3. Pour faciliter ce refroidissement, le corps du moule 3 est fait dans un matériau ayant une bonne conductivité thermique, par exemple en acier, en cuivre ou en alliage de cuivre, de préférence en cuivre ou alliage de cuivre. Dans une variante, le dispositif de refroidissement peut être le moule 3 lui-même et son environnement agencés pour une dissipation thermique suffisamment rapide.

[0011] Un dispositif d'alimentation 29 est agencé pour déposer des granulés de métal 15 sur la surface extérieure 12 du moule 3, en face d'un orifice 16 qui fait communiquer la cavité de moulage 17 avec l'extérieur du moule 3, dans une zone de fusion 13. Chaque granulé 15 déposé sur le moule 3 est chauffé par un dispositif de chauffage 31 au-delà et même bien au-delà de sa température de fusion. Le dispositif de chauffage 31 comprend une électrode 32, typiquement en tungstène, déplaçable à l'intérieur du boîtier 2 par un moteur 33 dans la direction de la double flèche 34 et pouvant ainsi se rapprocher de la zone de fusion 13 ou s'en éloigner. Lorsque l'électrode 32 est au-dessus du granulé de métal 15 dans la zone de fusion 13, on forme un arc électrique entre elle et le granulé pour fondre ce dernier et le chauffer à une température entre 75 et 1300°C au-dessus de sa température de fusion. A cet effet, le boîtier 2, le moule 3 et le granulé 15 sont reliés électriquement pour former la contre-électrode de l'électrode 32. Après la fusion, l'électrode 32 retourne dans une position (i.e. celle illustrée à la figure 1) distante de la zone de fusion 13. La fusion du métal pourrait toutefois être obtenue d'une autre manière que par un arc électrique, par exemple au moyen d'un faisceau laser et/ou d'un faisceau d'électrons.

[0012] Un piston d'injection 20 et un manchon 19 qui l'entoure sont déplaçables simultanément par un moteur 24 à l'intérieur du boîtier 2 dans la direction de la double flèche 21, le piston 20 étant en outre déplaçable dans la même direction par rapport au manchon 19 contre ou par l'action d'un ressort 22. Après la fusion du granulé de métal 15 par le dispositif de chauffage 31, l'ensemble 19, 20 est déplacé jusqu'à ce qu'une partie d'extrémité 23 du manchon 19 qui dépasse du piston 20 s'engage et s'arrête dans une rainure annulaire 18 du moule 3 qui entoure la zone 14 du moule 3 servant d'appui au granulé 15. Un déplacement supplémentaire du piston 20 vers le moule 3 contre l'action du ressort 22 réduit l'espace délimité par la surface d'extrémité 25 du piston 20 et la surface interne 26 du manchon 19, de sorte que le métal fondu est pressé et injecté dans la cavité de moulage 17 à travers l'orifice 16.

[0013] Une fois que le métal a rempli la cavité de moulage 17 et s'y est solidifié, les deux parties 4, 5 du corps du moule 3 sont écartées et la pièce résultant de la solidification du métal est retirée du moule 3 et du boîtier 2 par un sas 37. Tout le processus décrit ci-dessus peut alors recommencer avec un nouveau granulé de métal 15 déposé par le dispositif d'alimentation 29 sur le moule 3 dans la zone de fusion 13.

[0014] Le refroidissement du moule 3 est tel qu'il fait baisser rapidement la température du métal dans la cavité de moulage 17 jusqu'à une valeur inférieure à la température de transition vitreuse. La vitesse de refroidissement est supérieure à une vitesse de refroidissement critique afin d'empêcher le métal de cristalliser. Ce dernier garde donc son état amorphe lors de sa solidification.

[0015] Avant l'utilisation de l'appareil 1 ou au moins avant la formation de l'arc électrique entre l'électrode 32 et le granulé 15, on peut évacuer l'air du boîtier 2 et y introduire un gaz protecteur, par exemple de l'argon.

[0016] Un dégazeur 35, constitué par exemple d'une plaque de titane, peut être prévu à l'intérieur du boîtier 2. Ce dégazeur 35 peut être chauffé avant la fusion du métal afin d'éliminer les résidus d'oxygène à l'intérieur du boîtier 2.

[0017] Au lieu de l'injection, on pourrait introduire le métal fondu dans la cavité de moulage 17 en le laissant simplement couler à travers l'orifice 16 sous l'effet de la gravité.

[0018] L'appareil 1 permet la fabrication de pièces en métal amorphe. Par le terme « métal » on entend un métal pur ou un alliage métallique, c'est-à-dire un alliage comprenant au moins 50% en masse d'un ou plusieurs éléments métalliques. Un exemple d'alliage métallique amorphe est le Zr_41.2Be_22.5Ti_13.8Cu_12.5Ni₁₀ connu sous le nom de Vitreloy 1.

[0019] Les propriétés mécaniques remarquables des métaux amorphes permettent de réaliser et d'intégrer dans des mécanismes, notamment horlogers, des pièces de très petites dimensions et de réduire ainsi l'encombrement des mécanismes. Un ressort en métal amorphe, par exemple, en particulier un ressort de rappel de bascule ou de levier de pièce d'horlogerie, pourra fournir le même effort et avec une même résistance à la fatigue qu'un ressort en métal cristallin de plus grande taille. Un ressort moteur de pièce d'horlogerie en métal amorphe, à savoir un ressort de barillet ou un ressort remplissant la fonction d'un barillet, pourra stocker une aussi grande quantité d'énergie qu'un ressort moteur en métal cristallin de plus grande taille. Une pièce rigide en métal amorphe, par exemple une roue dentée ou un organe d'échappement (par exemple une roue d'échappement, une ancre, un plateau de balancier ou une cheville de plateau), pourra avoir la même robustesse qu'une pièce rigide correspondante en métal cristallin de plus grande taille.

[0020] Cependant, pour pouvoir réaliser des pièces plus petites de dimensions suffisamment précises, les tolérances de fabrication doivent être plus serrées. Conformément à la présente invention, un ou des éléments intermédiaires 50 sont interposés entre les deux parties 4, 5 du corps du moule 3. Cet ou ces éléments intermédiaires 50, illustrés à la figure 2 et représentés schématiquement par des pointillés à la figure 1, se présentent sous la forme de plaques évidées réalisées en partie au moins selon le procédé LIGA (lithographie, galvanoplastie, électroformage). Les évidements 51 des éléments intermédiaires 50 constituent ensemble au moins une partie de la cavité de moulage 17. Ces évidements 51 peuvent être traversants ou non. De préférence, ces évidements 51 définissent ensemble au moins la surface périphérique (pourtour) de la pièce à fabriquer, les surfaces supérieure et inférieure de la pièce étant définies par les deux parties 4, 5 lorsque les évidements 51 sont traversants.

[0021] De nombreuses configurations sont possibles, par exemple :

• deux éléments intermédiaires 50 opposés, avec leurs évidements qui se font face, intégrés respectivement aux parties 4, 5, comme l'illustre la figure 1 ;
• un seul élément intermédiaire 50 intégré à l'une des parties 4, 5, l'autre des parties 4, 5 ne comprenant pas d'empreinte participant à la cavité de moulage mais seulement une face plane qui ferme la cavité de moulage ;
• plusieurs éléments intermédiaires 50 superposés, avec leurs évidements au moins partiellement superposés de façon à communiquer, intégrés à l'une des parties 4, 5 ;
• plusieurs éléments intermédiaires 50 superposés, avec leurs évidements au moins partiellement superposés de façon à communiquer, intégrés à chacune des parties 4, 5.

[0022] En superposant les éléments intermédiaires 50, on peut réaliser des pièces de grande épaisseur et/ou des pièces tridimensionnelles. Des pièces tridimensionnelles peuvent aussi être obtenues par l'emploi d'un seul élément intermédiaire 50 réalisé sur plusieurs niveaux grâce au procédé LIGA de type 2,5D ou 3D. Un tel élément intermédiaire à plusieurs niveaux présente l'avantage d'augmenter la précision de fabrication en évitant de devoir aligner plusieurs éléments intermédiaires.

[0023] La précision du procédé LIGA est idéale pour réduire les tolérances de fabrication des pièces en métal amorphe. Les éléments intermédiaires 50 peuvent être réalisés en tout matériau se prêtant au procédé LIGA, par exemple en nickel, en cuivre ou en un alliage métallique tel que le nickel-phosphore. Le corps du moule 3, constitué des parties 4, 5, peut, lui, être réalisé en un matériau à haute conductivité thermique et comprendre éventuellement un ou des conduits internes pour l'écoulement d'un fluide de refroidissement. De cette manière, on peut allier les avantages d'une grande précision dimensionnelle de la cavité de moulage et d'un refroidissement efficace du métal.

[0024] Avantageusement, le ou chaque élément intermédiaire 50 est placé dans un logement 52 de l'une des deux parties 4, 5 du corps du moule 3 et y est retenu par exemple par une ou des butées mobiles ou fixé par chassage ou au moyen de goupilles. Un même logement 52 peut recevoir plusieurs éléments intermédiaires 50 superposés.

[0025] Le ou les éléments intermédiaires 50 sont amovibles et peuvent ainsi être remplacés en cas d'usure ou pour fabriquer des pièces de forme différente. On évite ainsi de devoir remplacer tout le moule 3, ce qui peut être très coûteux.

[0026] Le ou les éléments intermédiaires 50 peuvent être fabriqués entièrement selon le procédé LIGA, ou peuvent comprendre une plaque de base surmontée d'une partie réalisée en LIGA. Cette plaque de base peut être la plaque de support sur laquelle est mis en œuvre l'électroformage pendant le procédé LIGA.

[0027] Dans une variante de l'invention, au lieu d'assembler le/chaque élément intermédiaire 50 à l'une des deux parties 4, 5 du corps du moule 3, le/chaque élément intermédiaire 50 est formé par LIGA sur l'une des deux parties 4, 5 utilisée comme support pour l'électroformage.

[0028] Dans une autre variante de l'invention, le ou les éléments intermédiaires 50, ou seulement leurs évidements 51, sont réalisés par découpe laser plutôt que par LIGA. De grandes précisions d'usinage peuvent en effet être obtenues par laser sur de tels éléments. Les deux variantes, LIGA et découpe laser, peuvent aussi être combinées.

[0029] Bien entendu, plusieurs pièces peuvent être fabriquées simultanément dans le même moule. Dans ce but, le moule 3 peut comprendre plusieurs cavités de moulage 17 et des éléments intermédiaires 50 correspondants.

Revendications

1. Appareil pour la fabrication d'une pièce en métal amorphe ou partiellement amorphe, comprenant :

- un moule (3) comprenant un corps en deux parties (4, 5) mobiles l'une par rapport à l'autre, le moule (3) pouvant prendre un état fermé où les deux parties (4, 5) forment entre elles une cavité de moulage (17) et un état ouvert où les deux parties (4, 5) sont éloignées l'une de l'autre pour permettre le démoulage,

- un dispositif (20, 31) permettant l'introduction de métal fondu dans la cavité de moulage (17), et

- un dispositif de refroidissement permettant au métal de se solidifier dans la cavité de moulage (17) et, une fois solidifié, d'être amorphe ou partiellement amorphe,

caractérisé en ce que le moule (3) comprend, entre lesdites deux parties (4, 5), au moins un élément intermédiaire (50) réalisé au moins partiellement selon le procédé LIGA et/ou par découpe laser et définissant au moins en partie la cavité de moulage (17).

2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'au moins un élément intermédiaire (50) définit au moins la surface périphérique de la pièce à fabriquer.

3. Appareil selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le moule (3) comprend plusieurs dits éléments intermédiaires (50) superposés.

4. Appareil selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le ou chaque élément intermédiaire (50) est une plaque évidée.

5. Appareil selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le ou chaque élément intermédiaire (50) est assemblé à l'une des deux parties (4, 5) du corps du moule (3).

6. Appareil selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le ou chaque élément intermédiaire (50) est amovible.

7. Appareil selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le ou chaque élément intermédiaire (50) est placé dans un logement (52) d'une des deux parties (4, 5) du corps du moule (3).

8. Appareil selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le ou chaque élément intermédiaire (50) est formé par LIGA sur l'une des deux parties (4, 5) du corps du moule (3).

9. Appareil selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le corps du moule (3) est en acier, en cuivre ou en un alliage de cuivre, de préférence en cuivre ou alliage de cuivre.

10. Appareil selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le dispositif (20, 31) permettant l'introduction de métal fondu dans la cavité de moulage (17) comprend un injecteur, par exemple un piston.

11. Appareil selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le ou l'un au moins des éléments intermédiaires (50) comprend plusieurs niveaux réalisés par LIGA.

12. Appareil selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que la cavité de moulage (17) est conformée pour la fabrication d'un ressort, par exemple un ressort de rappel de bascule ou de levier de pièce d'horlogerie ou un ressort moteur de pièce d'horlogerie.

13. Appareil selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que la cavité de moulage (17) est conformée pour la fabrication d'une roue dentée ou d'un organe d'échappement d'horlogerie.

14. Procédé de fabrication d'une pièce en métal amorphe ou partiellement amorphe comprenant les opérations suivantes :

- prévoir un moule (3) comprenant un corps en deux parties (4, 5) mobiles l'une par rapport à l'autre, le moule (3) pouvant prendre un état fermé où les deux parties (4, 5) forment entre elles une cavité de moulage (17) et un état ouvert où les deux parties (4, 5) sont éloignées l'une de l'autre pour permettre le démoulage,

- introduire du métal fondu dans la cavité de moulage (17) et le refroidir suffisamment rapidement pour qu'une fois solidifié le métal soit amorphe ou partiellement amorphe,

- retirer du moule (3) le métal solidifié,

caractérisé en ce que le moule (3) comprend, entre lesdites deux parties (4, 5), au moins un élément intermédiaire (50) réalisé au moins partiellement selon le procédé LIGA et/ou par découpe laser et définissant au moins en partie la cavité de moulage (17).

15. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce que ladite pièce est un composant horloger.

16. Procédé selon la revendication 14 ou 15, caractérisé en ce que ladite pièce est un ressort, par exemple un ressort de rappel de bascule ou de levier de pièce d'horlogerie ou un ressort moteur de pièce d'horlogerie.

17. Procédé selon la revendication 14 ou 15, caractérisé en ce que ladite pièce est une roue dentée ou un organe d'échappement d'horlogerie.

Dessins