Etude d'un procédé de projection thermique à l'arc-fil en vue d'une application pour l'outillage rapide

Study of a twin wire arc spray process to develop a rapid tooling application

• Auteur / Autrice : Guillaume Jandin
• Direction : Christian Coddet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur
• Date : Soutenance en 2001
• Etablissement(s) : Besançon
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Franche-comté. UFR des Sciences, Techniques et Gestion de l'Industrie

Mots clés

Mots clés contrôlés

Traitements de surface

Métallisation au pistolet

Couches minces

Technique de la production

Résumé

L'objectif industriel de la construction par projection thermique de coquilles métalliques implique un apport rapide de grande quantité de matière sur une base économique. Le choix s'est porté sur la projection à l'arc-fil : le coût au kilogramme déposé est faible et le débit de matière élevé (jusqu'à 15 kg. H-1). Cette étude porte sur l'emploi d'un matériau d'apport à base de fer. Mais son utilisation pose d'autres problèmes : il convient d'éviter de dégrader thermiquement le modèle, souvent constitué d'une résine, par un apport de chaleur trop important, d'améliorer l'adhérence dépôt/substrat en cours d'élaboration. L'étude menée concerne donc un unique pistolet de projection et un seul type de fil, décrits dans le premier chapitre. Le second chapitre présente la caractérisation en vol des particules : leur taille, leur vitesse et leur température, en fonction des conditions opératoires. Des outils originaux ont permis de les caractériser et de montrer l'influence du débit de gaz. La partie suivante aborde les problèmes d'adhérence des particules sur les substrats à base polymère. Les phénomènes identifiés sont les échanges thermiques de surface intervenant entre le subjectile et la particule. Une étude expérimentale et un modèle mathématique mettent en évidence cette interprétation et permet d'apporter des solutions technologiques. Le quatrième chapitre traite la caractérisation des dépôts en fonction des conditions opératoires. Leur influence est testée sur la microstructure et les propriétés mécaniques. Les résultats montrent que le débit du gaz d'atomisation influence fortement la taille et la vitesse des particules et ces deux caractéristiques conditionnent le mode d'élaboration du dépôt, donc ses propriétés mécaniques. Le cinquième chapitre met en application les développements précédents pour la définition de procédures à suivre pour construtire des coquilles. Cette définition s'est concrétisée par la réalisation de pièces de démonstration.

The aim of this study is to develop and study a twin wire-arc spray process to manufacture directly prototypes and tooling. It allows to build directly shells onto models of any kind of materials. Therefore fabrication times can be shortened. Twin wire arc spray technology has been chosen because it enables rapid amount of material (up to 15 kg/h) and because of its low cost. This study is mainly directed toward steel sprayerd material, with good mechanical and wear properties. But the necessity of not damaging the models (generally, SLA resin) requires to work near the ambient temperature wich generally leads to high proportions of porosity and oxides. Only one spray gun and one type of material have been studied and are described in chapter one. Second chapter presents in-flight characteristics of spray particles. Their size, velocity and temperature have been linked to spray conditions. It has been shown that gas flow rate has a main influence on particles behaviour. Third chapter show the problem of low adherence of formed particles on based on polymer substrates. It is linked to flatenning and solidifying steps. Identified phenomena are surface thermal exchanges between the substrate and the particle. Experimentations coupled to a mathematical model have shown the role of these phenomenon and helped to find technological solutions. In the fourth chapter, coatings have been characterized with varying spray conditions. Their influence has been tested on microstructure and mechanical properties (micro hardness and Young modulus) of coatings. Results show that gas flow rate mainly influences size and velocity of particles that are influencing themselves the build-up mechanisms of coatings, so their mechanical properties. In the fifth chapter, informations got in the previous parts of the report are used to define procedure to realise shells. This definition has been completed by the realisation of some demonstration pieces.