BE1032266B1 - Méthode de fabrication d'un moule réfractaire par fabrication additive pour la réalisation de trépan et couronne de forage pétrolier, minier ou géothermique - Google Patents

Méthode de fabrication d'un moule réfractaire par fabrication additive pour la réalisation de trépan et couronne de forage pétrolier, minier ou géothermique

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BE1032266B1
BE1032266B1 BE20236054A BE202306054A BE1032266B1 BE 1032266 B1 BE1032266 B1 BE 1032266B1 BE 20236054 A BE20236054 A BE 20236054A BE 202306054 A BE202306054 A BE 202306054A BE 1032266 B1 BE1032266 B1 BE 1032266B1
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Abstract

La présente invention concerne la fabrication d’outils de forage minier ou pétrolier utilisant des techniques de fabrication additive et notamment l’utilisation d’une méthode de fabrication additive pour fabriquer un moule réfractaire pour un outil de forage par infiltration. La méthode de fabrication additive d’un moule réfractaire comprend les étapes de combinaison d’une poudre de céramique, de carbone, de métal et/ou de silice avec un liant organique pour former un matériau composite qui est ensuite mis en forme par addition afin d’obtenir une pièce composite à laquelle est appliquée un traitement pour la convertir en moule réfractaire.

Description

; BE2023/6054
Méthode de fabrication d’un moule réfractaire par fabrication additive pour la réalisation de trépan et couronne de forage pétrolier, minier ou géothermique.
Domaine de l’invention
La présente invention concerne la fabrication d’outils de forage minier ou pétrolier utilisant des techniques de fabrication additive.
Description de l’état de la technique
Les outillages de forage minier ou pétrolier sont bien connus. Ils comprennent habituellement une tête d'injection, une tige d'entraînement qui passe à travers une table de rotation et qui est reliée à une colonne de forage (ou train de tiges) et en bout de colonne une tête de forage ou trépan avec des lames adaptées au type de matériau à creuser (roche compacte, argile, etc...) et/ou un aleseur-stabilisateur. Ces outils sont généralement diamantes. La partie stabilisateur de l’outillage limite le mouvement latéral du trépan au fur et à mesure qu’il avance à travers la formation rocheuse.
Deux techniques sont principalement utilisées pour la fabrication des outils diamantés de forage : les outils en acier et les outils en carbure infiltré.
Les outils en acier concernent principalement les outils à éléments de coupe en diamant polycristallin (PDC). Ils sont constitués d’un acier à haute limite élastique et réalisés par usinage (tournage, fraisage). Dans ce cas les éléments de coupe de type PDC sont rapportés par brasage.
Les outils en carbure infiltré peuvent présenter aussi bien des outils à éléments de coupe en diamant polycristallin (PDC) due des outils à éléments de coupe de type frittés diamantés (DIMP).
Ces outils sont constitués d’un matériau composite obtenu par infiltration dans un moule réfractaire (essentiellement du
© BE2023/6054 carbone graphite). Dans ce cas, les éléments de coupe PDC sont rapportés par brasage après le moulage alors que les éléments de coupe DIMP sont soit sertis lors de l’infiltration, soit également rapportés par brasage. L’invention se concentre plus particulièrement sur la technologie des outils infiltrés avec des éléments de coupe de type frittés diamantés (DIMP).
Le procédé de fabrication existant des outils infiltrés peut être décrit comme suit : 1) Usinage du moule :
Le moule réfractaire (généralement en carbone graphite) est obtenu par usinage (tournage, fraisage). Il reprend la forme en creux de l’outil, avec des logements prévus pour tous les éléments de coupe ainsi que les éléments de distribution hydraulique (lames de l’outil qui définissent les ajutages et les passages d’eau). 2) Garnissage du moule :
Les éléments de coupe (inserts frittés diamantés) ainsi qu’ éventuellement des accessoires (supports de brasage, plots usinables, ...) sont placés et fixés, généralement par collage, dans leurs logements.
Le noyau qui constitue le moule du passage d’eau central et le corps de Jl’outil en acier sont également positionnés dans le moule à l’aide d’outillages de centrage spécialement conçus 3) Remplissage du moule :
Le moule serti de tous ses accessoires est rempli de poudre résistante à l’abrasion (généralement du carbure de tungstène). Eventuellement, différents types de poudre peuvent être employés afin de renforcer certaines zones plus critiques.
> BE2023/6054 4) Assemblage du moule et de ses accessoires d’infiltration :
Une fois le moule serti et rempli, ses accessoires d’infiltration sont assemblés : il s’agit d’un anneau cylindrique en graphite qui sera placé au-dessus du moule de l’outil et qui permettra de réaliser la partie cylindrique de l’outil final et enfin, un entonnoir graphite qui recevra la matière d’infiltration.
La matière d'infiltration, généralement un métal fusible à basse température (<1200°C), est alors ajoutée dans l’entonnoir graphite placé précédemment au-dessus de l'assemblage.
Il est à noter qu’ avantageusement, la matière d’infiltration a son point de fusion sous les 1000°C, afin d’éviter la graphitisation du diamant présent dans les inserts frittés. 5) Cycle d’infiltration :
L’assemblage est placé dans un four et subit un traitement thermique comprenant au moins une rampe et un palier à une température au-dessus de la température de fusion du métal d’infiltration. Avantageusement, le cycle comprend un ou plusieurs paliers intermédiaires pour homogénéiser la température, pour permettre le dégazage d’éventuelles substance organique utilisée lors du sertissage/remplissage et pour éliminer les oxydes présents dans les poudres.
Avantageusement, le cycle thermique est réalisé sous atmosphère protectrice, voire réductrice (Azote, Argon,
Hydrogène, ...) afin de de protéger l’outil de l’oxydation et le diamant de la graphitisation. 6) Démontage de l’assemblage - Décochage du moule :
© BE2023/6054
Un fois l’assemblage refroidi, il est démonté afin de récupérer les parties réutilisables comme le conteneur graphite cylindrique et la partie entonnoir. Le démoulage de l’outil étant généralement impossible (contre-dépouille), Jl’outil est décoché et le moule éliminé. 7) Finitions :
Le trépan récupéré subit finalement les traitements de finition mécanique afin d’aboutir au produit fini fonctionnel : - Usinage de la connexion filetée - Rectification et retouche pour respect des tolérances - Assemblage/brasage des pièces manquante (éléments de coupe, éléments anti usure, buse de lubrification, ...) = Traitement de surface (Peinture, Métallisation, oe)
Cette technique de moulage par infiltration est particulièrement couteuse. En effet, la fabrication du moule par usinage, c’est à dire soustraction de matière, est longue et entraine beaucoup de perte de matériau. Ceci s’ajoute au fait que les moules ne sont pas réutilisables et doivent être cassés pour démouler la pièce.
La demanderesse a donc jugé nécessaire de développer une nouvelle méthode de fabrication de moule réfractaire plus efficace.
Résumé de l’invention
L'invention a pour objet l’utilisation d’une méthode de fabrication additive pour fabriquer un moule réfractaire pour un outil de forage par infiltration.
> BE2023/6054
L’invention couvre également une méthode de fabrication additive d’un moule réfractaire comprenant les étapes de : - une poudre de céramique, de carbone, de métal et/ou de silice est combinée à un liant organique pour former un matériau composite, — Le matériau composite est mis en forme par addition afin d’obtenir une pièce composite, — Un traitement est appliqué à la pièce composite pour la convertir en moule réfractaire.
Le graphite est généralement considéré comme une céramique.
L’utilisation du terme céramique ci-après inclue donc le graphite.
La combinaison de la poudre et du liant peut avoir lieu avant ou pendant la mise en forme par addition, selon la technique utilisée.
Par exemple, la mise en forme peut comprendre la photopolymérisation du mélange en matériau composite. Dans ce cas, la combinaison de la poudre et du liant a de préférence lieu avant la mise en forme par addition. La technique utilisée peut par exemple être la VAT Photopolymérisation décrite ci-après. La mise en forme peut également ou alternativement comprendre l’extrusion du matériau composite.
La mise en forme peut alternativement comprendre la projection du liant sur la poudre, par exemple selon la technique de Binder
Jetting décrite ci-après. Alors la combinaison de la poudre et du liant a lieu pendant, voire après la mise en forme par addition.
° BE2023/6054
Selon le liant utilisé et le matériau de la poudre, le traitement appliqué au matériau composite peut comprendre une étape de traitement thermique, comme par exemple le déliantage, la calcination, la pyrrolyse, le frittage ou tout autre traitement thermique approprié, ou chimique, comme l’application d’un solvant pour éliminer le liant. Ces techniques sont bien connues de l’homme du métier dans le domaine de la métallurgie ou de la céramique.
Notamment, le déliantage est un traitement thermique à temperature modérée (100-600°C) visant à éliminer toute présence d’éléments organique par vaporisation/sublimation. La calcination est un traitement thermochimique à très haute température (400-1500°C) et sous oxygène visant à la formation de nouveaux éléments chimique par réaction d’oxydation, de réduction, de décarbonatation ou autres. La Pyrolyse est un traitement thermochimigque à haute temperature (300-1000°C) visant à décomposer chimiquement des composés organiques en d’autres produits, typiquement gaz+solide (graphite) ou gaz+liquide (goudrons). Le frittage est un traitement thermique à température plus ou moins élevée (300-2000°C) visant à consolider une pièce obtenue par compaction de poudre en portant ses grains constitutifs à (quasi) fusion.
Ces traitements thermiques ont une durée variable. Les traitements thermo-chimique (pyrolyse et calcination) peuvent être relativement rapide (1lmin à 1h), les traitement thermo- physique (frittage déliantage) peuvent être relativement plus long suivant les dimensions des pièces et condition de traitement (de 30min à 100h).
Avantageusement, lorsque la poudre est une poudre céramique, le traitement comprend le déliantage et éventuellement le frittage du matériau composite.
! BE2023/6054
Le traitement appliqué au matériau composite peut aussi ou alternativement comprendre une étape de chauffage, de préférence un chauffage à haute température, comme une pyrolyse, pour réduire le liant organique à ses éléments de base, et notamment en carbone, par exemple sous forme de graphite et/ou de noir de carbone. Avantageusement, lorsque la poudre est une poudre de graphite, le traitement comprend la pyrolyse du liant organique.
Le traitement appliqué peut également être un traitement de surface, par exemple pour modifier les propriétés de la surface du moule, notamment de sa surface interne. Par exemple, lorsque la poudre est du sable/silice et le traitement comprend un traitement de surface consistant à appliquer une couche mince d'une poudre céramique et/ou de graphite.
L’invention couvre également une méthode additive légèrement différente. Il s’agit d’une méthode de fabrication additive d’un moule réfractaire pour la fabrication d’un outil de forage comprenant les étapes de : - Une empreinte de moule est mise en forme par addition de matière plastique, - Du béton réfractaire ou du sable est appliqué autour de l’empreinte, et - Un traitement de calcination est appliqué pour détruire l’empreinte et sécher le moule.
Réfractaire.
L’invention concerne également le moule réfractaire obtenu par la ou les méthodes de l’invention.
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L’invention concerne aussi l’utilisation du moule réfractaire pour la fabrication d'outils de forage par infiltration.
Caractéristiques requises pour le matériau du moule d’infiltration :
Le moule réfractaire obtenu par fabrication additive doit être totalement compatible avec chaque étape du procédé d’infiltration tel que décrit précédemment. Plus précisément : - Compatible avec le sertissage :
Les tolérances de fabrication devront être suffisamment étroites, pour assurer un bon positionnement des éléments de coupe et autres accessoires, ainsi que pour permettre un assemblage correct. C’est-à-dire globalement respecter des tolérances de l'ordre de +/- 0,1 millimètre sur les géométries des logements et une précision de l’ordre de 0,5% sur le positionnement de ces logements.
Le matériau devra permettre une fixation aisée des éléments de coupe et accessoires par collage. - Compatible avec le remplissage :
Une fois le moule garni et rempli, il peut peser plusieurs dizaines de kilogrammes : il est donc essentiel que le moule obtenu — puisse supporter = des contraintes mécaniques modérées. C’est-à-dire d’avoir une résistance en flexion à minima supérieure à 20kg/cm? et plus confortablement supérieure à 100kg/cm?. La résistance à la flexion peut être mesurée suivant la norme NBN EN 12390-5 (béton). - Compatible avec l’assemblage des accessoires :
Le moule étant assemblé avec des accessoires graphite (partie cylindrique et entonnoir)) il est important que les
? BE2023/6054 coefficients de dilation thermique du matériau soit relativement proche de celle du graphite (autour de 3x107° Ki) idéalement entre 1 et 6x1076 Kl. - Compatible avec le cycle d’infiltration :
Le moule subissant le traitement thermique d’infiltration, il devra pouvoir résister aux hautes températures atteintes lors de ce traitement {(1000-1200°C).
Également, il devra présenter une imperméabilité au métal liquide infiltrant ainsi qu’ éventuellement une perméabilité au gaz afin de garantir une bonne interface moule-outil. A cet effet, le taux de porosité et/ou la teneur en organique résiduel sera important. Idéalement la porosité sera de l’ordre de 10 à 15% en volume et la teneur en organique résiduel de maximum 2% en poids. Elle peut être mesurée suivant la méthode d’Archimède reprise dans la Norme ISO 18754 :2020.
Finalement, afin d’avoir un chauffage et un refroidissement le plus homogène possible sur tout l’assemblage du moule et de ses accessoires, il est important que la conductibilité thermique du moule soit similaire à celle des accessoires graphite. Typiquement une conductibilité thermique entre 15 et 50 W/m.K. - Compatible avec le décochage du moule
A cet effet, le moule et son matériau devront pouvoir être facilement cassé pour décochage de l’outil c’est-à-dire que les résistances en flexion et/ou ténacité ne seront pas trop importantes. Typiquement on recherchera une résistance en flexion de maximum 500kg/cm?. - Compatible avec les traitements de finitions.
Afin de répondre aux exigences esthétique et tribologique, l’outil (et donc son moule) doivent avoir des états de surface acceptables. De préférence, la rugosité Ra est de préférence au maximum de 50 um.
Description de méthode(s) de fabrication additive(s) pour la fabrication d’outils par infiltration
Les moules réfractaires de l’invention, tels qu’utilisés pour l’infiltration de trépan ou couronne de forage ou pour les procédés de fonderie sont mis en forme par des techniques de fabrication dites « additives ». Ces techniques de fabrication additive font opposition aux techniques de fabrications « soustractive » connues où le moule et/ou le modèle du moule (on parle alors de fabrication « indirecte ») est obtenu par enlèvement de matière, comme par exemple l’usinage décrit ci-avant.
Les techniques de fabrication additive mettent ainsi la matière en forme par ajout de matière, généralement couche par couche ou par filament. Ces techniques, de manière générale, ont certains avantages par rapport aux techniques de fabrication soustractives : - pas d’enlèvement de matière se traduisant par moins de déchet et moins de consommation de matière première. - l’obtention de géométries plus complexes (pièces creuses, contre-dépouille, ...) - une plus grande flexibilité/polyvalence, offrant des coûts de fabrication réduits pour de la petite série ou du prototypage et des délais de fabrication raccourcis.
Différentes techniques de fabrication additive peuvent être utilisées pour la réalisation de moule d’infiltration :
A. Les techniques de fabrication additive directe (le moule est fabriqué directement) :
O VAT photopolymérisation :
Cette technique consiste à mettre en forme une résine photo-polymérisable couche par couche, chaque couche étant polymérisée à l’aide soit d’un laser balayant la forme de la couche souhaitée, soit d’un écran LCD (avec éventuellement des masques) pour irradier en une seule étape la forme souhaitée. La résine peut être chargée de poudre non-organique (minérale, céramique, métallique, ...) afin d’obtenir une pièce composite polymère/céramique (ou polymère/métallique). Cette pièce composite peut alors subir différents traitements afin d’éliminer le liant organique et/ou de manière plus générale obtenir les propriétés désirées. Par exemple : un traitement de déliantage afin d’élimer toute présence de matière organique qui pourrait nuire lors de l’étape d’infiltration du moule, ou avantageusement, un traitement de pyrolyse qui permettrait de convertir le carbone organique en carbone graphite ou amorphe qui apporterait des propriétés intéressantes pour le procédé d'infiltration (conductibilité thermique, mouillabilité, coefficient de dilatation thermique, etc, ...). Dans un mode de réalisation avantageux, le moule peut être obtenu par photopolymérisation d’une résine chargée en poudre de graphite ou de céramique et pyrolyse du liant organique afin d’obtenir un produit graphité aux propriétés intéressantes.
O Binder Jetting
Cette technique consiste à mettre en forme un lit de poudre (organique, non-organique, métallique et/ou céramique) couche par couche, chaque couche de poudre étant mise en forme par agglomération sélective de la poudre à l’aide d’un liant organique projeté. La pièce obtenue est ainsi un composite organique/céramique (ou organique/métallique ou organique/graphite). Cette pièce composite peut alors subir différents traitements afin d’éliminer le liant organique et/ou de manière plus générale obtenir les propriétés désirées. Par exemple : un traitement de déliantage afin d’élimer toute présence de matière organique qui pourrait nuire lors de l’étape d’infiltration du moule, ou avantageusement, un traitement de pyrolyse qui permettrait de convertir le carbone organique en carbone graphite ou amorphe qui apporterait des propriétés intéressantes pour le procédé d’infiltration (conductibilité thermique, mouillabilité, coefficient de dilatation thermique, etc, ...).
Dans un mode de réalisation avantageux, le moule peut être obtenu par mise en forme de type Binder Jetting d’une poudre de graphite et pyrolyse du liant organique afin d’obtenir un produit graphité aux propriétés intéressantes.
Alternativement, le moule peut être obtenu par mise en forme Binder Jetting d’une poudre céramique avec déliantage et frittage afin d’obtenir un produit céramique au propriétés intéressantes.
Alternativement, le moule peut être obtenu par mise en forme Binder Jetting de sable/silice pour obtenir un moule de fonderie sable/silice assez classique, dans ce mode de réalisation en particulier, des traitements de surface du moule sont nécessaires afin d'améliorer les états de surface et de diminuer la perméabilité au gaz et au métal liquide. Par exemple des dépôts de poudres de faible granulométrie céramique ou graphite par spray coating.
O Material Extrusion
Cette technique consiste à mettre en forme un produit liquide (généralement un polymère) par extrusion au travers d’une buse, les mouvements de la buse et de la table support permettant d’obtenir les formes de couches désirées et couche par couche le modèle désiré. La matière peut être approvisionnée sous forme de filament polymère de granulés ou de pâte,
éventuellement chargés en poudre céramique ou métallique afin d’obtenir une pièce composite polymère/céramique ou polymère/métallique ou polymère graphite. Cette pièce composite peut alors subir différents traitements afin d’éliminer le liant organique et/ou de manière plus générale obtenir les propriétés désirées. Par exemple : un traitement de déliantage afin d’élimer toute présence d’organique qui pourrait nuire lors de l’étape d'infiltration du moule, ou avantageusement, un traitement de pyrolyse qui permettrait de convertir le carbone organique en carbone graphite ou amorphe qui apporterait des propriétés intéressantes pour le procédé d’infiltration (conductibilité thermique, mouillabilité, coefficient de dilatation thermique, etc, ...).
Dans un mode de réalisation avantageux, le moule peut être obtenu par extrusion d’un polymère chargée en poudre de graphite et pyrolyse du liant organique afin d’obtenir un produit graphité aux propriétés intéressantes.
Alternativement, le moule peut être obtenu par extrusion d’un polymère chargé d’une poudre céramique et déliantage/frittage afin d’obtenir un produit céramique au propriétés intéressantes - Les techniques de fabrications additives indirectes (le moule est fabriqué indirectement à l’aide d’un modèle obtenu par fabrication additive)
Les mêmes techniques de fabrication additives peuvent être employées pour obtenir un modèle « positif » de l’outil en plastique qui peut alors être utilisé pour obtenir le moule par moulage. Le matériau du moule étant alors mis en forme par coulage/moulage autour du modèle plastique, le modèle étant ensuite éliminé par fusion/calcination.
Dans un mode de réalisation avantageux, le moule peut être obtenu par coulage d’un béton réfractaire autour d’un modèle plastique obtenu par Stéréolithographie ou par fabrication fil fondu. Une fois le béton séché, un traitement de calcination permet d’éliminer le modèle et de déshydrater le moule béton.
Avantageusement, du graphite est ajouté au béton réfractaire afin d’en améliorer les propriétés de conductibilité thermique, mouillabilité et afin de réduire la resistance mécanique du moule pour faciliter le décochage de l’outil.
Alternativement, le moule peut être obtenu par moulage sable autour d’un modèle plastique obtenu par Stéréolithographie ou par fabrication fil fondu. Une fois le moulage sable réalisé, un traitement à haute température (200-300°C) est réalisé pour éliminer le modèle plastique par fusion.
De façon générale, il est possible de combiner plusieurs techniques additives pour la formation d’un même moule.
Description détaillée de l’invention
L’invention va maintenant être expliquée de manière plus détaillée, à l’aide des dessins annexés, sur lesquels :
La figure 1 est un schéma bloc d’une méthode de fabrication additive directe d’un moule réfractaire
La figure 2 est un schéma bloc d’une méthode de fabrication additive indirecte d’un moule réfractaire
La figure 3 illustre un moule réfractaire obtenu par une méthode de fabrication additive
La figure 4 illustre l’utilisation un moule réfractaire pour fabriquer un outil de forage par infiltration
La figure 5 est un schéma bloc de l’utilisation d’un moule réfractaire pour fabriquer un outil de forage par infiltration
En référence à la figure 1, la fabrication additive directe d’un moule réfractaire permettant le moulage d’outils de forage par exemple comprend plusieurs étapes.
Lors d’une première étape A, une poudre 11, par exemple une poudre de céramique, de carbone, de métal ou de silice est combinée à un liant organique 12 pour former un matériau composite 13 ayant une consistance lui permettant d’être manipulé dans les outils de fabrication additive. Par exemple, la combinaison permet l’extrusion du matériau combiné.
Lors d’une deuxième étape B, le matériau composite 13 est mis en forme par addition afin d’obtenir une pièce composite 14.
Selon la technique de mise en forme utilisée, l’étape A peut avoir lieu avant ou pendant l’étape B.
Par exemple, Lorsque la technique de mise en forme utilisée est la VAT photopolymérisation du matériau composite ou l’extrusion du matériau composite, l’étape A de combinaison a lieu en amont de l’étape B de mise en forme.
Alternativement, lorsque la technique de mise en forme utilisée comprend la projection du liant sur la poudre, par exemple selon la technique de Binder Jetting, l’étape A a lieu en même temps, voire après l’étape B.
Après la mise en forme du matériau, lors d’une étape C, la pièce composite 14 subit un traitement pour la convertir en moule réfractaire 15, c’est-à-dire transformer la poudre et le liant aggloméré en moule solide et rigide avant les propriétés requises pour supporter le processus d’infiltration.
Selon la nature de la poudre, le traitement est adapté. Il comprend généralement un traitement thermique.
Par exemple, lorsque le moule est en céramique, le traitement peut comprendre une étape de déliantage. Le déliantage peut être un traitement thermique et/ou comprendre l’application d’un solvant pour éliminer le liant. L’étape de déliantage peut être suivie d’une étape de frittage.
Alternativement, lorsque le moule est en graphite et le traitement comprend la pyrolyse du liant organique.
En référence à la figure 2, la fabrication additive indirecte d’un moule réfractaire permettant le moulage d'outils de forage par exemple comprend plusieurs étapes.
Lors d’une première étape D, une empreinte 21 est mise en forme par addition de matière plastique, par exemple par
Stéréolithographie ou par fabrication fil fondu. Cette étape permet d’obtenir un modèle « positif » de l’outil en plastique, i.e. l’empreinte 21, pour les étapes suivantes.
Lors d’une deuxième étape E, un matériau 22 est appliqué autour de l’empreinte 21 afin d’obtenir un ensemble 23: l’empreinte 21 à l’intérieur du moule réfractaire 15.
Par exemple, lorsque le matériau 22 est du béton réfractaire, il est appliqué par coulage autour de l’empreinte.
Avantageusement, du graphite est ajouté au béton réfractaire afin d’en améliorer les propriétés de conductibilité thermique, mouillabilité et afin de réduire la résistance mécanique du moule pour faciliter le décochage de l’outil.
Alternativement, lorsque le matériaux 22 est du sable, il est appliqué par moulage autour de l’empreinte.
Lors d’une troisième étape EF, l’ensemble 23 subit un traitement thermique afin de détruire l’empreinte 21, de sorte à garder uniquement le moule réfractaire 15.
Par exemple, lorsque le matériau 22 est du béton réfractaire, le traitement thermique est un traitement de calcination qui permet de détruire l’empreinte 21 et de déshydrater le moule 15.
Alternativement, lorsque le matériau 22 est du sable, le traitement thermique est un traitement à haute température (200- 300°C) qui permet de détruire le modèle plastique par fusion.
Un exemple de moule obtenu par la méthode de la figure 1 est illustré sur la figure 3. La forme extérieure du moule est ici globalement un cylindre comprenant une cavité 32 correspondant à la forme de l’outil à fabriquer, avec ici des logements prévus pour tous les éléments de coupe 33 ainsi que pour les éléments de distribution hydraulique 31 (lames de l’outil qui définissent les ajutages et les passages d’eau).
Ce moule a par exemple une résistance en flexion comprise entre 20kg/cm? et 500 kg/cm?2, mesurée suivant la norme
NBN EN 12390-5 (béton), un coefficient de dilation thermique du matériau est compris entre 1 et 6x10-6 K!,
En référence aux figures 4 et 5, l’utilisation d’un moule réfractaire 15 obtenu par une méthode de fabrication additive de l’invention comprend les étapes suivantes :
G) Garnissage du moule 15 :
Les éléments de coupe 48 (par exemple des inserts frittés diamantés) ainsi qu’ éventuellement des accessoires (supports de brasage, plots usinables 45, ...) sont placés et fixés, généralement par collage, dans leurs logements 33.
Le noyau 47 qui constitue le moule du passage d’eau central et le corps de l’outil en acier 44 sont également positionnés dans le moule 15 à l’aide d’outillages de centrage spécialement conçus.
H) Remplissage du moule 15:
Le moule serti de tous ses accessoires est rempli de poudre 16 résistante à l’abrasion (généralement du carbure de tungstène). Eventuellement, différents types de poudre peuvent être employés afin de renforcer certaines zones plus critiques.
I) Assemblage du moule 15 et de ses accessoires d’infiltration :
Une fois le moule serti et rempli, ses accessoires d’infiltration sont assemblés : il s’agit d’un anneau cylindrique en graphite 43 qui est placé au-dessus du moule 15 de l’outil et qui permettra de réaliser la partie cylindrique de l’outil final, et d’un entonnoir en graphite 42 pour guider le remplissage de la matière d’infiltration 41.
La matière d’infiltration 41, généralement un métal à basse température (<1200°C), est alors ajoutée l’entonnoir graphite 42 placé précédemment au-dessus de l’assemblage.
Il est à noter qu’ avantageusement, la matière d’infiltration a son point de fusion inférieur à 1000°C, afin d’éviter la graphitisation du diamant présent dans les inserts frittés.
J) Cycle d’infiltration :
L’assemblage est placé dans un four et subit un traitement thermique comprenant au moins une rampe et un palier à une température au-dessus de la température de fusion du métal d’infiltration. Avantageusement, le cycle comprend un ou plusieurs paliers intermédiaires pour homogénéiser la température, pour permettre le dégazage d’éventuelles substance organique utilisée lors du sertissage/remplissage et pour éliminer les oxydes présents dans les poudres.
Avantageusement, le cycle thermique est réalisé sous atmosphère protectrice, voire réductrice (Azote, Argon,
Hydrogène, ...) afin de de protéger l’outil de l’oxydation et le diamant de la graphitisation.
A la fin du cycle, l’ensemble est ramené à température ambiante.
K) Démontage de l’assemblage - Décochage du moule :
Un fois l’assemblage refroidi, il est démonté afin de récupérer les parties réutilisables comme le conteneur graphite cylindrique 43 et la partie entonnoir 42. Le démoulage de l’outil étant généralement impossible (contre-dépouille), l’outil est décoché et le moule 15 éliminé.
L) Finitions :
L'outil récupéré subit éventuellement un ou plusieurs traitements de finition mécanique afin d’aboutir au produit fini fonctionnel : - Usinage de la connexion filetée ; - Rectification et retouche pour respect des tolérances ; - Assemblage/brasage des pièces manquante (éléments de coupe, éléments anti usure, buse de lubrification, ...) ; = Traitement de surface (Peinture, Métallisation, ...).

Claims (21)

REVENDICATIONS
1. Utilisation d’une méthode de fabrication additive pour fabriquer un moule réfractaire pour un outil de forage par infiltration.
2. Méthode de fabrication additive d'un moule réfractaire comprenant les étapes de : - Une poudre de céramique, de carbone, de métal et/ou de silice est combinée à un liant organique pour former un matériau composite, - Le matériau composite est mis en forme par addition afin d’obtenir une pièce composite - Un traitement est appliqué à la pièce composite pour la convertir en moule réfractaire.
3. Méthode de fabrication additive d’un moule réfractaire selon la revendication 2, selon laquelle la combinaison de la poudre et du liant a lieu avant ou pendant la mise en forme par addition.
4, Méthode de fabrication additive d’un moule réfractaire selon l’une des revendications 2 et 3, dans laquelle la mise en forme comprend la photopolymérisation du mélange en matériau composite.
5. Méthode de fabrication additive d’un moule réfractaire selon l’une des revendications 2 à 4, dans laquelle la mise en forme comprend l’extrusion du matériau composite.
6. Méthode de fabrication additive d’un moule réfractaire selon l’une des revendications 2 à 4, dans laquelle la combinaison comprend la projection du liant sur la poudre selon la technique de Binder Jetting.
7. Méthode de fabrication additive d’un moule réfractaire selon l’une des revendications 2 à 6, dans laquelle le traitement appliqué à la pièce composite comprend une étape de déliantage.
8. Méthode de fabrication additive d’un moule réfractaire selon l’une des revendications 2 à 6, dans laquelle le traitement appliqué au matériau composite comprend une étape de chauffage, de préférence de pyrolyse.
9. Méthode de fabrication additive d’un moule réfractaire selon l’une des revendications 2 à 8, selon laquelle la poudre est une poudre de graphite et le traitement comprend la pyrolyse du liant organique.
10. Méthode de fabrication additive d’un moule réfractaire selon l’une des revendications 2 à 8, selon laquelle la poudre est une poudre céramique et le traitement comprend le déliantage et éventuellement le frittage du matériau composite.
11. Méthode de fabrication additive d’un moule réfractaire selon l’une des revendications 2 à 8, selon laquelle la poudre est du sable et le traitement comprend un traitement de surface consistant à appliquer une couche mince d’une poudre céramique et/ou de graphite.
12. Méthode de fabrication additive d’un moule réfractaire comprenant les étapes de :
- Une empreinte de moule est mise en forme par addition de matière plastique, - Du béton réfractaire ou du sable est appliqué autour de l’empreinte, et - Un traitement thermique est appliqué pour détruire l’empreinte et sécher le moule réfractaire.
13. Méthode de fabrication additive d’un moule réfractaire selon la revendication 12, selon laquelle le béton réfractaire comprend de la poudre de graphite.
14. Moule réfractaire obtenu par la méthode de l’une des revendications 2 à 13.
15. Moule réfractaire selon la revendication 14, dont la résistance en flexion est supérieure ou égale à 20kg/cm?.
16. Moule réfractaire selon l’une des revendications 14 à 15 dont le coefficient de dilation thermique du matériau est compris entre 1 et 6x10-% K!,
17. Moule réfractaire selon l’une des revendications 14 à 16 dont la porosité est comprise entre 10 à 15% en volume.
18. Moule réfractaire selon l’une des revendications 14 à 17 ayant une teneur résiduelle en substance organique inférieure ou égale à 2% en poids.
19. Moule réfractaire selon l’une des revendications 14 à 18 ayant une conductibilité thermique entre 15 et 50 W/m.K.
20. Moule réfractaire selon l’une des revendications 14 à 19, ayant une résistance en flexion de maximum 500kg/cm2.
21. Utilisation du moule réfractaire selon l’une des revendications 14 à 20 pour la fabrication par infiltration d’outil de forage minier ou pétrolier.
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