Nouveau procédé d’outillage rapide par projection plasma de coques épaisses d’acier sur un modèle en résine élaboré par stéréolithographie

Innovative rapid tooling process based on plasma spraying of stainless steel onto a stereolithoraphy resin pattern

École des Mines de Paris / C2P - Centre de Compétence en Projection Plasma, Evry.

Résumé

L’utilisation de la projection thermique présente un fort intérêt pour développer de nouvelles méthodes de fabrication rapide d’outils de production tels que les moules d’injection de polymères (méthodes d’outillage rapide). Comparée à l’une des méthodes actuelles les plus en pointe, qui fait appel à la projection à l’arc électrique ou à la flamme, la projection plasma permet une plus grande variété de matériaux et une meilleure maîtrise du procédé, donc d’élaborer des revêtements à propriétés très supérieures. Les travaux présentés portent sur la mise au point de la deuxième étape d’une méthode d’outillage rapide par stéréolithographie combinée à la projection plasma. Il s’agissait d’élaborer des coques épaisses d’acier AISI 316 sur des pièces prototypes en résine fabriquées par stéréolithographie. Pour cela, plusieurs difficultés étaient à vaincre : obtenir une adhérence modèle/dépôt suffisante, conserver les caractéristiques du modèle (forme, précision dimensionnelle, état de surface), éviter toute dégradation thermique du modèle durant la phase de projection, limiter les contraintes résiduelles inhérentes au procédé d’élaboration de dépôts par projection thermique, élaborer des dépôts d’acier compatibles avec les applications industrielles. Les solutions aux différents problèmes posés ont été apportées par le développement d’un procédé inédit de traitement de la surface du substrat et par la mise au point de conditions de projection particulières.

Abstract

The use of thermal spraying is very attractive to develop new processes for the rapid manufacturing of tools such as injection moulds for polymeric materials (rapid tooling). Compared to most advanced current methods, based on arc spraying or flame spraying, plasma spraying extends the range of coating materials and improves the process control, which leads to higher coating properties. This work deals with the development of a rapid tooling process which consists of stereolithography combined with plasma spraying. This focuses on the buildup of thick AISI 316 stainless steel shells onto polymeric prototype parts from stereolithography. Major starting issues resulted in obtaining coating/substrate adhesion, keeping the surface characteristics of the prototype (dimensional accuracy, shape, surface finish), preventing the polymeric substrate from thermal degradation when spraying, controlling residual stresses due to thick coating, achieving high properties coating (low porosity, low oxide level) for industrial applications. Adequate solutions resulted from the development of an innovative surface preparation process (namely “PINPRO” for “PINning PROcess”, patented) and the use of specific spraying conditions.