EP4729205A1

EP4729205A1 - Procédé de surmoulage

Info

Publication number: EP4729205A1
Application number: EP24207614.9A
Authority: EP
Inventors: Yves Winkler; Loïc OBERSON
Original assignee: Swatch Group Research and Development SA
Current assignee: Swatch Group Research and Development SA
Priority date: 2024-10-18
Filing date: 2024-10-18
Publication date: 2026-04-22
Also published as: US20260108939A1; CN121892679A

Abstract

L'invention concerne un procédé de surmoulage pour réaliser un article (1) avec un décor (2), aussi dit surmoulage, ledit décor (2) étant dans un alliage métallique (8) au moins partiellement amorphe, le procédé comprenant les étapes de :
- Mise à disposition d'une ébauche (3) munie d'au moins un trou traversant (4) débouchant au niveau du surmoulage (2) à réaliser, ladite ébauche (3) étant réalisée dans un premier matériau ayant une faible effusivité thermique ou étant au moins en partie revêtue d'une couche réalisée dans ledit premier matériau,
- Mise à disposition d'un moule d'injection (6),
- Positionnement de l'ébauche (3) au sein du moule d'injection (6),
- Injection à l'état liquide de l'alliage métallique (8) au travers du trou traversant (4) débouchant sur une cavité du moule d'injection (6) et/ou de l'ébauche (3),
- Démoulage de l'ébauche (3) avec le surmoulage (2) pour obtenir l'article (1).

Description

Domaine technique de l'invention

L'invention concerne un procédé de surmoulage adapté pour réaliser un surmoulage en alliage métallique au moins partiellement amorphe, ledit surmoulage formant un décor, aussi dit motif, sur un article réalisé dans un matériau à faible effusivité thermique.

Arrière-plan technologique

Plusieurs documents décrivent des procédés de surmoulage d'un article avec des motifs en alliage amorphe.
On peut citer les documents EP 2 315 673 et CH 715 132 qui décrivent des procédés d'incrustation du métal amorphe dans des creusures ménagées dans l'article. Ces procédés sont peu adaptés pour réaliser des surmoulages en relief et nécessitent une étape de terminaison pour rectifier la surface des surmoulages.
Du document EP 2 370 865 , on connaît un procédé de décoration d'un article avec un décor en relief réalisé dans un métal amorphe. Le procédé consiste à utiliser un masque à travers lequel est injecté le métal. Il y a donc un surplus de métal amorphe sur les zones esthétiques et ces dernières doivent dès lors subir une étape de terminaison.
Dans les procédés d'injection avec moule, plusieurs problèmes se posent pour le métal amorphe. Il n'est pas possible de chauffer le moule à une température proche du point de fusion car la vitesse de refroidissement doit être suffisamment grande pour éviter la cristallisation. Ensuite, l'utilisation de moules métalliques classiques impose des sections de canaux d'injection similaires à l'épaisseur de la cavité à remplir pour éviter de solidifier trop tôt dans les canaux, ce qui empêcherait l'alliage d'atteindre la cavité. Cela impacte négativement la flexibilité des géométries des pièces injectées, notamment pour les pièces de petites dimensions où il faut remplir par une nappe d'alliage qui couvre l'entièreté d'une face de la pièce.

Résumé de l'invention

La présente invention vise à pallier les manquements précités en proposant un procédé de surmoulage permettant, d'une part, d'injecter sans problème de solidification dans les canaux d'injection et sans risque de cristallisation du métal amorphe et, d'autre part, d'obtenir un surmoulage ne requérant pas nécessairement de rectification à l'issue de l'injection.
A cet effet, il est proposé de partir d'une ébauche de l'article réalisée dans un matériau à faible effusivité thermique afin de minimiser l'extraction de chaleur par cette dernière lors du surmoulage. Il est aussi proposé d'injecter depuis la face opposée ou connexe à la face destinée à être surmoulée via des trous traversants ménagés au sein de l'ébauche et débouchant sur une cavité formant le négatif du surmoulage à réaliser. En d'autres mots, il est aussi proposé d'injecter depuis une portion d'une surface opposée ou connexe à une autre portion de la surface destinée à être surmoulée via des trous traversants ménagés au sein de l'ébauche et débouchant sur une cavité formant le négatif du surmoulage à réaliser. Selon l'invention, la cavité peut être ménagée dans l'ébauche et/ou dans le moule d'injection accueillant l'ébauche.
La faible effusivité thermique de l'ébauche garantit l'absence de solidification dans les trous traversants en amont de la cavité et ainsi l'apport de l'alliage à l'état liquide dans la cavité. Préférentiellement, pour un résultat optimal, il est également proposé d'utiliser un moule d'injection réalisé dans un matériau à faible effusivité thermique. Ceci permet à l'alliage d'épouser parfaitement la forme de la cavité du moule et/ou de l'ébauche pour reproduire fidèlement la géométrie et l'état de surface de la cavité. Il s'ensuit que les surmoulages sont terminés d'un point de vue géométrique et esthétique à l'état brut d'injection, aucune rectification n'étant dès lors nécessaire.
Ce procédé est particulièrement adapté pour surmouler des ébauches réalisées dans des matériaux à faible effusivité thermique tels que certaines céramiques (zircone, verres, émaux,...), certains métaux ou alliages métalliques (titane grade 2, titane grade 5, Inconel,...), des polymères (caoutchoucs, PEEK,...), des matériaux naturels (bois, minéraux,...), des composites ainsi que des matériaux avec une effusivité thermique quelconque mais revêtus d'une couche à faible effusivité thermique. L'utilisation d'une ébauche réalisée en tout ou en partie dans un matériau à faible effusivité thermique permet de ménager des trous traversants de très petites sections sans risque de figer avant d'atteindre la cavité. Ces trous traversants de très petites sections évitent de fragiliser la céramique ou tout autre matériau utilisé et permettent de créer des surmoulages de petites dimensions.
En résumé, le procédé de surmoulage selon l'invention permet de flexibiliser les géométries des pièces injectées, d'améliorer la reproduction des états de surface du moule sur la pièce injectée et de réaliser des pièces bi-matières avec « surmoulages net-shape ». Ce procédé permet ainsi de réaliser des surmoulages avec des formes complexes.
Plus précisément, l'invention se rapporte à un procédé de surmoulage pour réaliser un article avec un décor, aussi dit surmoulage, ledit décor étant dans un alliage métallique au moins partiellement amorphe, le procédé comprenant les étapes de :

Mise à disposition d'une ébauche avec une première face destinée à être surmoulée et une deuxième face servant de point d'entrée pour une injection de l'alliage métallique à l'état liquide, ladite ébauche étant munie d'au moins un trou traversant s'étendant entre la première face et la deuxième face et débouchant au niveau du surmoulage à réaliser, le trou traversant formant un canal pour l'injection de l'alliage métallique, ladite ébauche étant réalisée dans un premier matériau ayant une effusivité thermique inférieure ou égale à 7000 WK-1 m-2 s1/2, de préférence inférieure ou égale à 3500 WK-1 m-2 s1/2 ou étant au moins en partie revêtue d'une couche réalisée dans ledit premier matériau,
Mise à disposition d'un moule d'injection, ledit moule d'injection et/ou l'ébauche comprenant une empreinte formant le négatif du surmoulage à réaliser,
Positionnement de l'ébauche au sein du moule d'injection avec le trou traversant disposé en regard de l'empreinte du moule d'injection si ledit moule d'injection comporte une empreinte,
Injection à l'état liquide de l'alliage métallique depuis la deuxième face de l'ébauche au travers du trou traversant débouchant sur l'empreinte pour obtenir l'ébauche avec le surmoulage,
Démoulage de l'ébauche avec le surmoulage pour obtenir l'article.

Brève description des figures

Les figures 1 à 5 représentent schématiquement les étapes du procédé selon l'invention pour un décor en relief.
La figure 6 représente une variante du procédé pour un décor en négatif.
La figure 7 représente une variante de la figure 3 où l'empreinte pour le surmoulage est ménagée uniquement dans l'ébauche et où le décor est à fleur de surface de l'ébauche.
La figure 8 représente une autre variante de la figure 3 où l'empreinte pour le surmoulage est ménagée dans l'ébauche et dans le moule formant un décor en relief.

Description détaillée de l'invention

L'invention concerne un procédé de surmoulage pour réaliser un article décoré. L'article peut, à titre d'exemple, être un composant horloger. Il peut plus spécifiquement s'agir d'un composant d'habillage choisi parmi la liste non exhaustive comprenant une carrure, un fond, une lunette, une couronne, un poussoir, un maillon de bracelet, un bracelet, une boucle ardillon, un fermoir, un cadran, une applique et une aiguille. Il peut également s'agir d'un composant du mouvement choisi parmi la liste non exhaustive comprenant une masse oscillante, un pont de platine, une ancre, une roue et une platine. Typiquement, le composant horloger est un cadran ou une lunette 1 (fig.5) avec des indices et des chiffres formant un décor 2, aussi appelé ci-après surmoulage. Dans l'exemple illustré, le décor est en relief, dit aussi décor en positif. Le procédé est plus spécifiquement adapté pour un décor réalisé dans un alliage métallique au moins partiellement amorphe. On entend par au moins partiellement amorphe avec plus de 50% de phase amorphe. On peut citer à titre d'exemple l'alliage Pt850, l'alliage Pd600, l'alliage Vit105 et l'alliage Ni53. Il est également particulièrement bien adapté pour un article réalisé dans un matériau fragile tel que la céramique. L'article est réalisé dans un matériau ayant une faible effusivité thermique. On entend par faible effusivité thermique une valeur inférieure ou égale à 7000 WK-1 m-2 s1/2, voire inférieure ou égale à 3500 WK-1 m-2 s1/2. A titre d'exemple, la céramique peut être de la zircone qui a une effusivité thermique de 2400 WK-1 m-2 s1/2. Si l'article possède une effusivité thermique supérieure à 7000 W K-1 m-2 s1/2, on peut lui appliquer au moins en partie sur sa surface une couche qui a une effusivité thermique inférieure ou égale à 7000 W K-1 m-2 s1/2, voire inférieure ou égale à 3500 W K-1 m-2 s1/2.
Le procédé de surmoulage permet de réaliser des surmoulages en relief positif, des surmoulages à fleur de la surface à décorer ou des surmoulages en relief négatif par rapport à la surface à surmouler. Il est également possible de réaliser des combinaisons des surmoulages susmentionnés.
Le procédé est illustré aux figures 1 à 6 pour une variante et aux figures 7 et 8 pour des autres variantes. Le procédé sera illustré ci-après pour la variante des figures 1 à 6 où l'empreinte pour le surmoulage est ménagée dans le moule d'injection avec pour différence qu'à la figure 6 le relief est en négatif et non en positif. Pour les variantes des figures 7 et 8, le concept du procédé est le même avec pour seul changement que l'empreinte pour le surmoulage est respectivement ménagée dans l'ébauche ou dans l'ébauche et dans le moule d'injection.
Par ailleurs, le procédé est illustré ci-après pour une ébauche avec une géométrie à plusieurs faces. Il est également envisageable de mettre en oeuvre le procédé pour une géométrie avec une seule surface comme par exemple une surface de révolution dans le cas d'un tore. Dans ce cas, le terme face utilisé ci-après se comprendra au-delà de sa définition géométrique et désignera de manière plus générale une portion de la surface de l'ébauche servant de point d'entrée de l'alliage liquide par rapport à une autre portion de la surface de l'ébauche servant de point de sortie de l'alliage liquide, avec des portions qui peuvent être connexes ou non.
Le procédé est illustré aux figures 1 à 5 pour un surmoulage en relief positif formé d'indices et de chiffres sur une lunette. On précisera que les valeurs données ci-après sont également valables pour d'autres articles à surmouler, sans se limiter à une lunette ou à un surmoulage en relief positif. Ainsi, à la figure 6, le relief est en négatif.
Dans une première étape (fig.1), une ébauche 3 munie d'un ou plusieurs trous traversants 4 est mise à disposition. Ces trous traversants font office de canaux d'injection et s'étendent entre la face 3a qui est la face visible destinée à être surmoulée et la face 3b qui est une face opposée à la face 3a ou éventuellement une face connexe à la face 3a, avec la face opposée ou la face connexe étant préférentiellement une face cachée après assemblage de la boîte de montre. Dans l'exemple illustré, la face visible 3a est la face supérieure et la face 3b est la face opposée qui est donc la face inférieure. Cette ébauche est l'article à surmouler et elle est réalisée dans le matériau à faible effusivité thermique. Le trou 4 est débouchant au niveau de l'emplacement où doit figurer le surmoulage et définit un canal d'injection 5 pour le passage du métal ou de l'alliage liquide 8 (fig.3). Selon les dimensions du surmoulage à réaliser, l'ébauche comporte un ou plusieurs trous traversant par surmoulage.
Préférentiellement, pour éviter de fragiliser le matériau de l'ébauche, les trous traversants ont une section de faibles dimensions. La section du trou peut être constante ou variable sur sa longueur. Préférentiellement, le trou a une forme conique s'évasant vers la face inférieure 3b tel que montré à la figure 2, ce qui permet d'avoir une géométrie plus fine du côté de la face supérieure et d'ancrer le surmoulage dans l'ébauche. Le trou peut avoir une section circulaire, oblongue ou autres. Par exemple, des trous avec une section oblongue sont envisageables pour augmenter la section d'approvisionnement sur des surmoulages allongés tels que des indices. Les trous peuvent également ne pas être droits mais plutôt présenter des coudes ou des formes complexes, ceci afin de pouvoir flexibiliser le positionnement de l'entrée pour l'injection.
Préférentiellement, la plus grande dimension de la section du trou est comprise entre 0,1 et 2 mm, plus préférentiellement entre 0,2 et 1 mm, et encore plus préférentiellement entre 0,25 et 0,5 mm. Si la section est variable le long du trou, la plus grande section sera considérée et au sein de cette section, la plus grande dimension sera mesurée.
Pour une lunette ou un cadran, l'épaisseur de l'ébauche est comprise entre 0,3 et 3 mm. Pour un trou traversant entre la face supérieure et la face inférieure de l'ébauche, il en résulte une gamme de rapport diamètre/longueur du trou allant de 0,08 à 1,7 mm pour un diamètre d'une section circulaire du trou compris entre 0,25 et 0,5 mm. De manière générale, à titre d'exemple, pour d'autres articles, ce rapport diamètre/longueur du trou allant de 0,08 à 1,7 mm peut être maintenu ou, en d'autres mots, le rapport entre la plus grande dimension de la section du trou traversant et l'épaisseur de l'ébauche est compris entre 0,08 et 1,7 mm pour un trou s'étendant entre la face supérieure et la face inférieure. Par ailleurs, pour un surmoulage en relief positif, la section des trous traversant au niveau de la face supérieure est inférieure ou égale à la section des surmoulages à remplir, projetée dans le plan de la face supérieure pour éviter que l'alliage ne déborde au-delà du surmoulage à remplir. Préférentiellement, la section des trous traversant au niveau de la face supérieure est inférieure à la section des décors projetée dans le plan de la face supérieure. Plus préférentiellement, la section des trous traversant au niveau de la face supérieure est inférieure d'un facteur d'au moins 1,2 par rapport à la section des surmoulages projetée dans le plan de la face supérieure.
Dans une deuxième étape (fig.3), l'ébauche 3 est placée dans un moule 6 muni dans une de ses deux parties d'une empreinte 7 ayant une forme correspondante à la forme du surmoulage à réaliser. Pour un relief en positif, l'empreinte 7 forme une cavité. En variante pour la figure 7, le moule peut être dépourvu d'une empreinte et c'est l'ébauche 3 qui comporte une empreinte 10 formant une cavité. En variante pour la figure 8, le moule 6 comporte une empreinte 7 et l'ébauche 3 comporte également une empreinte 10 formant la cavité avec les deux cavités destinées à communiquer. Le surmoulage remplira donc les cavités de l'ébauche et du moule.
Selon l'invention, le moule est réalisé dans un matériau ayant préférentiellement une faible effusivité thermique avec une valeur inférieure ou égale à 7000 WK^-1 m^-2 s^1/2, de préférence inférieure ou égale à 3500 W K^-1 m^-2 s^1/2 ou il est au moins en partie revêtu d'une couche dans ce matériau à faible effusivité thermique. Selon l'invention, ce matériau peut être une céramique (zircone, Macor,...), un métal (titane ou alliage de titane,...) ou préférentiellement un polymère tel qu'un silicone ou un caoutchouc. En effet, malgré les températures élevées du métal en fusion lors de l'injection, par exemple 700°C pour un alliage Pt850 ou 1200°C pour un alliage Vit105, il a été constaté qu'il est possible d'utiliser un moule en polymère sans dégrader ce dernier. Il y a plusieurs avantages à utiliser un moule en polymère :

Leur effusivité thermique très faible (< 500 WK^-1 m^-2 s^1/2) permet de remplir des géométries complexes,
Leur élasticité, notamment pour les élastomères, permet d'épouser précisément la surface du composant horloger, et en particulier de la lunette pour l'exemple illustré, et de compenser les tolérances de fabrication de cette dernière, par exemple les angles,
Leur élasticité permet également de créer des décors 3D avec des contre-dépouilles qui ne seraient pas démoulables avec un moule rigide,
Le coût de fabrication d'un moule polymère est bien plus faible que celui d'un moule métallique ou céramique.

Dans une troisième étape également représentée à la figure 3, l'alliage liquide 8 est injecté au travers du trou traversant 4 agissant comme canal d'injection 5 depuis la face inférieure 3b de l'ébauche 3. L'alliage est chauffé et injecté à une température égale ou supérieure à sa température de solidus dans le cas de l'utilisation d'un procédé d'injection classique. Dans le cas de l'utilisation d'un procédé d'injection à chauffe rapide d'une préforme au moins partiellement amorphe (> 50%), comme par exemple du « rapid discharge forming », la température d'injection est définie pour que la viscosité soit inférieure à 1000 Pa.s. Durant l'injection, le moule peut être chauffé jusqu'à une température inférieure ou égale à la température de transition vitreuse de l'alliage amorphe injecté.
Dans une quatrième étape visible à la figure 4, le moule est retiré. L'ébauche 3 ainsi obtenue qui correspond à l'article final ou quasi-final présente sur sa face supérieure 3a les surmoulages 2 en alliage métallique amorphe. Sur sa face inférieure 3b, un pied 9 formé avec l'alliage d'injection 8 solidifié dans le canal d'injection subsiste. Ce pied peut être maintenu sur l'article final. En alternative, la face inférieure peut être rectifiée pour enlever ce surplus de matière. L'article 1 ainsi obtenu visible à la figure 5 présente un surmoulage 2 ne nécessitant pas de rectification à l'issue de l'injection dans le moule. Il est toutefois bien évidemment possible de tout de même réaliser une étape de finition sur les surmoulages afin d'obtenir des états de surface particuliers ou d'usiner des géométries non moulables.
On notera que le procédé permet tout aussi bien de réaliser un surmoulage 2 affleurant la face supérieure 3a à décorer ; auquel cas, la cavité du moule 6 mentionnée ci-avant est inexistante et éventuellement l'ébauche 3 comporte une empreinte 10 (fig.7). Le procédé permet également de réaliser un surmoulage en négatif avec, dans ce cas, à la place de la cavité du moule d'injection une empreinte 7 formant une protubérance se plaçant dans le trou traversant 4 lors de l'injection (fig.6).

Claims

Procédé de surmoulage pour réaliser un article (1) avec un décor (2), aussi dit surmoulage, ledit décor (2) étant dans un alliage métallique (8) au moins partiellement amorphe, le procédé comprenant les étapes de :
- Mise à disposition d'une ébauche (3) avec une première face (3a) destinée à être surmoulée et une deuxième face (3b) servant de point d'entrée pour une injection de l'alliage métallique (8) à l'état liquide, ladite ébauche (3) étant munie d'au moins un trou traversant (4) s'étendant entre la première face (2a) et la deuxième face (3b) et débouchant au niveau du surmoulage (2) à réaliser, le trou traversant (4) formant un canal (5) pour l'injection de l'alliage métallique (8), ladite ébauche (3) étant réalisée dans un premier matériau ayant une effusivité thermique inférieure ou égale à 7000 W K-1 m-2 s1/2, de préférence inférieure ou égale à 3500 W K-1 m-2 s1/2 ou étant au moins en partie revêtue d'une couche réalisée dans ledit premier matériau,

- Mise à disposition d'un moule d'injection (6), ledit moule d'injection (6) et/ou l'ébauche (3) comprenant une empreinte (7,10) formant le négatif du surmoulage (2) à réaliser,

- Positionnement de l'ébauche (3) au sein du moule d'injection (6) avec le trou traversant (4) disposé en regard de l'empreinte (7) du moule d'injection (6) si ledit moule d'injection (6) comporte une empreinte (7),

- Injection à l'état liquide de l'alliage métallique (8) depuis la deuxième face (3b) de l'ébauche (3) au travers du trou traversant (4) débouchant sur l'empreinte (7,10) pour obtenir l'ébauche (3) avec le surmoulage (2),

- Démoulage de l'ébauche (3) avec le surmoulage (2) pour obtenir l'article (1).
Procédé de surmoulage selon la revendication précédente, dans lequel ledit moule d'injection (6) est réalisée dans un deuxième matériau ayant une effusivité thermique inférieure ou égale à 7000 WK^-1 m^-2 s^1/2, de préférence inférieure ou égale à 3500 W K^-1 m^-2 s^1/2 ou étant au moins en partie revêtu d'une autre couche réalisée dans ledit deuxième matériau.
Procédé de surmoulage selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la section du trou traversant (4) au niveau de la première face (3a) est inférieure à la section du surmoulage (2) projetée dans le plan de la première face (3a), lorsque le surmoulage (2) à réaliser est en relief positif par rapport à la première face (3a) de l'ébauche (3).
Procédé de surmoulage selon la revendication précédente, dans lequel la section du trou traversant (4) au niveau de la première face (3a) est inférieure d'un facteur d'au moins 1,2 par rapport à la section du surmoulage (2) projetée dans le plan de la première face (3a).
Procédé de surmoulage selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la plus grande dimension de la section du trou traversant (4) est comprise entre 0,1 et 2 mm, préférentiellement entre 0,2 et 1 mm.
Procédé de surmoulage selon la revendication précédente, dans lequel la plus grande dimension de la section du trou traversant (4) est comprise entre 0,25 et 0,5 mm.
Procédé de surmoulage selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la première face (2a) est une face supérieure de l'ébauche (3) et dans lequel la deuxième face (2b) est une face inférieure de l'ébauche (3) opposée à la face supérieure (2a), le trou traversant (4) s'étendant entre la face supérieure et la face inférieure au travers de l'épaisseur de l'ébauche (3).
Procédé de surmoulage selon la revendication 7, dans lequel le rapport entre la plus grande dimension de la section du trou traversant (4) et l'épaisseur de l'ébauche (3) est compris entre 0,08 et 1,7.
Procédé de surmoulage selon la revendication 7 ou 8, dans lequel le trou traversant (4) forme un cône s'évasant depuis la face supérieure vers la face inférieure.
Procédé de surmoulage selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le premier matériau est une céramique, de préférence une zircone.
Procédé de surmoulage selon l'une des revendications 2 à 10, dans lequel le deuxième matériau est un polymère.
Procédé de surmoulage selon la revendication précédente, dans lequel le deuxième matériau est un silicone ou un caoutchouc.
Procédé de surmoulage selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'article (1) est un composant horloger.
Procédé de surmoulage selon l'une des revendications précédentes, comprenant une étape d'enlèvement au niveau de la deuxième face (3b) d'un excès de l'alliage métallique (8) au moins partiellement amorphe dépassant de ladite deuxième face (3b) suite à l'injection à l'état liquide de l'alliage métallique (8).