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PROCEDE DE FABRICATION D'UN MOULE ET MOULE OBTENU
L'invention concerne un procédé de fabrication d'un moule. Dans
toute la suite, le terme "moulage" désigne l'action de fabriquer un obj et à
l'aide d'un
moule. Lorsqu'aucune confusion avec la précédente définition n'est possible,
le terme
"moulage" peut également être employé pour désigner l'action de fabriquer un
moule à
partir d'une piéce dite modèle. Les termes "matériau(x) de moulage" désignent
le(s)
matériaux) utilisés) pour fabriquer le moule ; les termes "matériau(x) à
mouler"
désignent le(s) matériaux) utilisés) pour fabriquer les objets moulés à l'aide
du moule.
Les procédés connus de fabrication de moule diffèrent à la fois
par les matériaux de moulage qu'ils emploient, les diverses étapes de
réalisation du
moule, la forme du moule obtenu et son mode d'utilisation. Le choix d'un
procédé
parmi les autres est effectué en fonction de la complexité de la forme à
reproduire, du
nombre d'objets à réaliser avec le moule, du(des) matériaux) à mouler...
Parmi les procédés de fabrication de moule connus, qui
permettent d'obtenir des moules adaptés à la réalisation d'objets en plâtre,
ciment,
résine ou autre matière thermodurcissable, mousse expansée, etc., on peut
citer
- le moulage en bateau, consistant à réaliser un coffrage à
l'intérieur duquel on place et on fixe le modèle, remplir le coffrage avec le
matériau de
moulage, choisi parmi le plâtre, les élastomères silicones et l'alginate selon
la forme du
modèle, puis démouler le modèle. Le moule peut être réalisé en une seule
partie puis
éventuellement découpé, ou réaliser en deux parties ou plus. Un tel procédé
est certes
relativement simple, mais présente un temps d'exécution souvent long en raison
du
temps nécessaire au séchage ou au durcissement du matériau de moulage,
- le moulage au trempé, consistant à immerger le modèle dans un
matériau de moulage liquide pendant la phase de durcissement de celui-ci,
répéter
l'opération jusqu'à ce que se dépose une gangue sur le modèle, attendre le
séchage
complet de la gangue, la détacher du modèle. Le matériau de moulage est choisi
parmi
la cire, le latex ou autre matériau thermodurcissable adapté. Un tel procédé
trouve ses
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limites dans le nombre de manipulations qu'il nécessite et le temps de
durcissement du
matériau de moulage ;
- le moulage par estampage, consistant à appliquer un matériau de
moulage sur la surface du modèle, ,à presser le matériau de moulage contre le
modèle
ou inversement en vue de réaliser une empreinte, puis à décoller le modèle. On
utilise
pour ce faire des bandes plâtrées ou un matériau de moulage pâteux, choisi
parmi le
plâtre et le mastic en vue d'obtenir un moule rigide, ou encore un matériau
gélatineux
choisi parmi le latex, les élastomères de silicone et (alginate en vue
d'obtenir un moule
souple, en une ou plusieurs parties, que l'on recouvre d'une chape rigide de
maintien en
plâtre ou .bandes plâtrées éventuellement fractionnée pour permettre le
démoulage. On
peut également utiliser un matériau à stratifier, et appliquer par exemple,
sur la surface
du modèle, des morceaux de toile de verre que l'on imprègne de résine
polyester. Là
encore, les opérations sont nombreuses, de surcroît manuelles et pour la
plupart
impossibles à automatiser, et les temps de séchage ou de durcissement du
matériau de
moulage et/ou du matériau de chape pénalisent la productivité du procédé ;
- le moulage par coulée sous chape, consistant à protéger le
modèle d'un film isolant (en papier aluminium par exemple), le recouvrir d'une
couche
uniforme d'un matériau pâteux tel que la plastiline ou l'argile, estamper une
chape en
plâtre au moyen du modèle ainsi recouvert, décoller ladite chape après la
prise du plâtre
et la percer de quelques trous de coulée, retirer le matériau pâteux et le
film isolant du
modèle, replacer le modèle dans la chape de plâtre et refermer celle-ci de
façon étanche
(à l'exception des trous de coulée), couler un élastomère de silicone dans la
chape, qui
prend place entre le modèle et la chape. Le moule peut être réalisé en une ou
plusieurs
parties. Ce procédé est à l'évidence particulièrement long et complexe.
Par ailleurs, parmi les moules et procédés de fabrication de moule
connus utilisés dans la fonderie (de tels moules sont destinés à recevoir des
alliages
métalliques en fusion), on peut citer
- les moules en sable (grains de silice...) ou autre matériau
réfractaire non siliceux (zircon, chromite, olivine, bauxite). Un tel moule
est construit
en deux parties, correspondant chacune sensiblement à une moitié du modèle,
par
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compression de sable dans un châssis. Le sable est ainsi serré entre le
châssis et le
modèle, puis le modèle est retiré. La cohésion du sable est assurée par un
liant,
notamment choisi parmi (argile humide, les gels de silice, les résines
synthétiques,1es
ciments..., ou par des liaisons de type céramique que l'on crée à haute
température. Ce
procédé, pourtant le plus répandu, présente de multiples inconvénients
~ le moule en sable obtenu est détruit au démoulage et ne sert donc qu'une
fois ; et le
recyclage du sable est rendu difficile voir impossible par la présence des
liants,
~ la manipulation du sable est contraignante et dangereuse ; les poudres de
silicate
volatiles obligent à porter un masque,
~ les quantités de sable nécessaires conditionnent l'emplacement de la
fonderie (à
proximité d'une sablière),
~ le moule en sable étant froid, la solidification débute le long des parois
du moule et
doit se terminer dans les masselottes (volume de moulage supplémentaire prévu
pour
que le volume de métal liquide coulé soit supérieur au volume de métal solide
de la
pièce finie, en raison de la rétractation du métal lors de sa solidification)
; le
refroidissement des portions d'objet d'épaisseur importante est très lent ;
inversement, le refroidissement des portions d'objet de faible épaisseur est
rapide et
rend le remplissage difficile ; la vitesse de remplissage doit être supérieure
à la
vitesse de solidification,
~ l'état de surface du moule, et donc de l'objet moulé dans un tel moule, est
grossier ;
des opérations de finition (polissage par exemple) sur l'objet ou le moule
sont
necessalres,
~ l'objet moulé présente une couture au niveau du plan de joint des deux
parties du
moule ;
- les coquilles, formant un moule métallique en deux parties,
réalisées à partir d'un matériau de moulage choisi parmi les fontes, les
alliages
d'aluminium, les laitons, les cupro-aluminiums, les aciers, selon (alliage
métallique que
le moule est destiné à recevoir et 1e procédé d'introduction dudit alliage
liquide dans le
moule (alliage coulé par gravité, coulé sous basse pression, coulé sous haute
pression,
coulé centrifugé). Les coquilles sont moulées dans un châssis contenant le
modèle ët/ou
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usinées aux formes du modèle. Contrairement au moule en sable, les coquilles
sont
réutilisables, présentent une bonne précision dimensionnelle et un bon état de
surface.
En revanche, elles sont particulièrement onéreuses, et ne permettent pas, à
(instar des
moules en sable, de contrôler le refroidissement de l'alliage en fusion
qu'elles
reçoivent ;
- le moulage à la cire perdue, consistant à réaliser un modèle
destructible (par opposition aux modèles permanents utilisés dans les autres
procédés
précédemment décrits) en cire par un procédé de moulage classique, enrober le
modèle
en cire d'un produit réfractaire, après durcissement du produit réfractaire
formant le
moule, faire fondre la cire et l'extraire du moule, cuire celui-ci. Ce procédé
permet
d'obtenir un moule de précision permettant de fabriquer des objets sans
couture ni
défaut de surface. En revanche, il est relativement complexe et coûteux,
oblige à
fabriquer un modèle par moule réalisé, et fournit un moule utilisable une
seule fois
puisque qu'il doit être détruit pour libérer (objet moulé.
A noter que, pour la réalisation de barres métalliques de très
grande longueur, il est également connu d'utiliser un moule en graphite, dit
lingotière,
qui joue le rôle d'une filière, dans laquelle l'alliage en fusion est coulé en
continue. Le
graphite utilisé pour la fabrication d'une telle lingotière est un graphite
artificiel,
élaboré à partir de matières premières carbonées telles que les noirs (de
fumée ou de
pétrole}, les cokes (métallurgiques ou de pétrole), les graphites naturels,
les graphites
industriels (provenant de matières électro-graphitées rebroyées) ; après
broyage,
tamisage et sélection, les matières premières pulvérulentes sont mélangées à
des liants
tels que des goudrons, des brais, des résines phénoliques et furfuryliques ;
les pâtes
obtenues sont travaillées par meulage et tréfilage, puis sont cuites et
rebroyées puis
remélangées ; elles sont ensuite filées en rondins ou ébauches creuses par
extrusion ;
les rondins ou ébauches sont ensuite cuit(e)s en vue d'obtenir la cokéfaction
du liant et
l'agglomération de la matière carbonée de base, puis graphité(e)s par
chauffage à plus
de 2000°C. A noter que les rondins ou ébauches subissent un retrait
important lors de la
cuisson et présentent une surface croûtée qui nécessite un usinage ultérieur.
En vue de
sa protection contre l'oxydation et la corrosion, la surface de la lingotière
ainsi obtenue
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est généralement recouverte d'un dépôt de pyrocarbone (obtenu par pyrolyse
d'un
hydrocarbure tel que le méthane, à une température comprise entre 800 et
2000°C) ou
d'une feuille de graphite souple connue sous le nom de Papyex~ (obtenue par
laminage
de paillettes de graphite naturel expansé). La fabrication d'un moule de type
lingotière
est à l'évidence particulièrement complexe, contraignante et coûteuse.
L'invention vise à pallier ces inconvénients en proposant uri
procédé de fabrication de moule particulièrement simple, rapide et peu
coûteux.
L'invention vise notamment à proposer un procédé de fabrication
de moule extrêmement rapide, présentant un nombre considérablement restreint
d'opérations qui de surcroît peuvent éventuellement être automatisées sans
utiliser de
machines spécifiques complexes ou onéreuses.
Un autre objectif de l'invention est de fournir un procédé de
fabrication de moule permettant d'obtenir, sans surfaçage spécifique (usinage
de
finition, polissage, dépôt d'un revêtement de finition...), un moule de grande
précision
dimensionnelle et d'état de surface excellent. L'invention vise également à
fournir un
moule permettant de réaliser des objets moulés dépourvus de couture.
De façon générale, l'invention vise également à proposer un
procédé dépourvu d'opération d'usinage et d'opération de finition du moule.
Un autre objectif de (invention est de proposer un procédé
permettant d'obtenir, sans traitement de surface spécifique (traitement
chimique ou
électrochimique, revêtement de protection...), un moule résistant â la
corrosion et à
(oxydation.
Un autre objectif de (invention est de proposer un procédé
pouvant utiliser un modèle permanent, susceptible d'être employé pour la
fabrication de
2S plusieurs moules identiques.
Un autre objectif de (invention est de proposer un procédé de
fabrication de moule permettant d'obtenir un moule réfractaire, adapté au
domaine de la
fonderie. Dans une version préférée, l'invention vise à fournir un moule de
fonderie
dans lequel la température de l'alliage en fusion peut être contrôle.
s
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Un autre objectif de (invention est de proposer un procédé de
fabrication de moule qui permette d'obtenir un moule pouvant être utilisé
plusieurs fois,
et notamment un très grand nombre de fois, sans détérioration notable de son
état de
surface, y compris lorsque le matériau à mouler est corrosif et/ou porté à
très haute
température (alliage en fusion par exemple).
Un autre objectif de (invention est de proposer un procédé de
fabrication de moule simple à mettre en oeuvre et sans risque majeur pour
(homme. En
particulier, le procédé proposé n'oblige à aucune précaution particulière
(telle que le
port d'un masque ou d'une combinaison spécifique) pour sa mise en oeuvre.
Un autre objectif de l'invention est de fournir un moule
recyclable.
Dans une première version, (invention concerne un procédé de
fabricaïion d'un moule pour le moulage d'objets en un matériau dit matériau à
mouler,
dans lequel on utilise un modèle des objets à mouler et on recouvre le modèle
d'un
matériau, dit matériau de moulage, caractérisé en ce qu'on utilise, à titre de
matériau de
moulage, du graphite expansé, on recouvre le modèle de graphite expansé en
formant
une épaisseur continue de graphite expansé ou plusieurs épaisseurs séparées de
graphite
expansé réparties sur le modèle, puis on comprime la(les) épaisseurs) de
graphite
expansé contre le modèle de façon à obtenir, pour chaque épaisseur, un bloc de
graphite
consolidé et imperméable au matériau à mouler.
On peut distinguer les modèles dits modèles fermés, dont la
surface extérieure à imprimer est une surface fermée, des modèles dits modèles
ouverts,
dont la surface à imprimer est une surface ouverte. En d'autres termes, un
modèle fermé
est un objet que l'on souhaite reproduire en totalité, sous toutes ses faces,
tandis qu'un
modèle ouvert est une partie d'un objet, telle qu'une face ou un côté (le
reste de l'objet
n'étant pas à mouler). Dans le cas d'un modèle ouvert, il est souvent plus
simple de ne
former qu'une seule épaisseur de graphite expansé. Dans le cas d'un modèle
fermé, si
(on forme une seule épaisseur continue de graphite expansé, celle-ci enveloppe
de
toute part le modèle. Il convient alors, soit de découper le bloc consolidé
obtenu en vue
de retirer le modèle, si ce dernier est un modèle permanent, soit de détruire
le modèle
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(par fusion ou réaction chimique), si ce dernier est un modèle destructible
(en cire ou
en polystyrène par exemple). En variante, on forme une pluralité d'épaisseurs
de
graphite expansé autour du modèle ; on peut, en particulier, former une
première
épaisseur d'un côté du modèle et une seconde épaisseur de l'autre côté du
modèle de
façon à envelopper complètement le modèle, en vue d'obtenir un moule en deux
parties
(c'est-à-dire en deux blocs). Il n'est pas exclu, en variante, de former plus
de deux
épaisseurs autour du modèle. Le nombre d'épaisseurs est notamment choisi en
fonction
de la complexité de la forme à mouler (c'est-à-dire du modèle). A noter que
deux
épaisseurs adjacentes sont séparées par une feuille de séparation par exemple,
de
préférence plane et rigide pour obtenir une surface de joint plane.
Dans une deuxième version, l'invention concerne un procédé de
fabrication d'un moule pour le moulage d'objets en un matériau dit matériau à
mouler,
dans lequel on utilise un modèle des objets à mouler et on recouvre le modèle
d'un
matériau, dit matériau de moulage, caractérisé en ce qu'on utilise, à titre de
matériau de
moulage, du graphite expansé, on utilise au moins une épaisseur, dite
épaisseur pré-
consolidée, formée de graphite expansé recomprimé selon au moins une direction
de
façon à présenter une densité comprise entre 30 et 50 kglm3, on dispose
la(les)
épaisseurs) pré-consolidées) sur le modèle, puis on comprime la(les)dite(s)
épaisseurs) pré-consolidées) contre le modèle, de façon à venir recouvrir le
modèle et
à obtenir, pour chaque épaisseur, un bloc de graphite consolidé et imperméable
au
matériau à mouler.
En d'autre termes, dans cette deuxième version, le graphite
expansé n'est pas directement disposé (sous forme expansée) sur le modèle,
mais est
founii sous forme d'épaisseurs préfabriquées, en graphite expansé faiblement
recomprimé, qui peuvent être manipulées -puisqu'elles sont consolidées- mais
sont
encore malléables sous une faible pression.
Dans ses deux versions, l'invention consiste donc, d'une part à
utiliser du graphite expansé comme matériau de moulage et à presser contre un
modèle
ledit matériau, sous une forme encore expansée (non cohésive) ou sous une
forme pré-
consolidée (graphite expansé faiblement recomprimé), et d'autre part, si
plusieurs
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épaisseurs de graphite (expansé ou pré-consolidées) sont formées, à comprimer
simultanément lesdites épaisseurs autour du modèle. L'invention propose
notamment un
procédé de fabrication d'un moule en deux parties ou plus, dans lequel toutes
les parties
du moule sont réalisées en même temps par des opérations communes (les
épaisseurs
étant comprimées ensemble).
La simplicité des procédés selon l'invention contraste avec les
techniques antérieures connues rappelées en introduction. Ces procédés
surprennent
aussi par leur rapidité d'exécution : une simple compression instantanée de
la(des)
épaisseurs) de graphite expansé ou pré-consolidées) suffit à former le moule ;
le
modèle peut immédiatement être retiré, sans qu'il ne soit nécessaire
d'attendre le
séchage ou le durcissement. ou la cuisson du matériau de moulage comme tel est
le cas
dans les techniques antérieures. Outre leur simplicité et leur rapidité
d'exécution, les
procédés selon l'invention présentent de multiples avantages
- ils offrent la possibilité de réaliser des moules aux formes
complexes,
- le moule obtenu présente une précision dimensionnelle et un
état de surface excellents, qui permettent de s'affranchir des opérations
usuelles de
finition (usinage, polissage...) ; les objets moulés à l'aide d'un tel moule
sont dépourvus
de couture,
' - le démoulage des objets moulés à l'aide d'un tel moule est
facilité par le caractère lubrifiant du graphite expansé. recomprimé,
- le moule obtenu présente un comportement mécanique
(rigidité...), chimique (résistance à la corrosion et à l'oxydation...) et
thermique
(réfractaire, faible variation dimensionnelle face à d'importantes variations
thermiques...) intéressant, qui autorise son utilisation de nombreuses fois et
lui confère
une longue durée de vie. Un tel moule conserve notamment un bon état de
surface en
dépit d'une utilisation intensive dans un environnement thermique (température
élevée
du matériau à mouler, fortes variations de température entre les périodes de
non
utilisation et les opérations de coulée du matériau à mouler...) et chimique
(corrosion,
oxydation...) souvent agressif,
s
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- il n'est pas nécessaire de réaliser un châssis pour le moule,
la(les) épaisseurs) de graphite expansé ou pré-consolidées) pouvant être
comprimées)
directement entre le modèle et le ou les plateaux) d'une presse,
- le procédé est sans.danger, le graphite expansé n'étant ni toxique
ni dangereux,
- le modèle utilisé peut être permanent, ce qui permet de réaliser
une pluralité de moule à partir d'un même modèle,
- le moule obtenu est aisément recyclable ; il suffit d'exfolier de
nouveau le graphite du(des) blocs) consolidé(s), au moyen d'une solution
d'intercalation.
A noter qu'on utilise de préférence, à titre de graphite expansé, un
graphite naturel expansé, éventuellement broyé (mais de préférence tel
qu'obtenu après
exfoliation).
Avantageusement et selon l'invention, on comprime la(les)
épaisseurs) de graphite expansé ou pré-consolidées) de façon à obtenir un(des)
blocs)
consolidés) ayant une densité supérieure à 40 kg/m3 dans le cas d'un moule
destiné à
des applications basse température (matériau à mouler du type plâtre,
élastomère,
plastique), et de préférence supérieure à 100 kg/m3 dans le cas d'un moule
destiné à des
applications haute température (moule' de fonderie, matériau à mouler du type
alliage en
fusion). Une densité supérieure à 100 kg/m3 confère en effet une excellente
diffusivité
thermique aulx) blocs) consolidés) de graphite, qui permet de réguler la
température
du moule et donc la vitesse de refroidissement du matériau à mouler. En tout
état de
cause, une densité supérieure à 40 kg/m3 garantit une parfaite imperméabilité
du moule
vis-à-vis des matériaux à mouler les plus fins et les plus liquides, et un
état de surface
du moule particulièrement fin.
On comprime la(les) épaisseurs) de graphite expansé ou pré-
consolidées) selon plusieurs directions, et notamment selon trois directions
orthogonales. En variante, on comprime la(les) épaisseurs) de graphite expansé
ou pré-
consolidées) selon une unique direction.
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Le choix entre ces deux mises en oeuvre dépend, d'une part de la
forme du modèle, et d'autre part, des propriétés thermiques (conductivité,
diffusivité
thermique...) souhaitées pour le moule en graphite. Une compression
multiaxiale (selon
plusieurs directions) est préférée dans le cas d'un modèle de forme complexe
voire
torturée, pour garantir un parfait moulage du modèle. Une compression
uniaxiale (selon
une unique direction) conduit à l'obtention de blocs) consolidés) de graphite
fortement anisoïrope(s) (les propriétés, thermiques ou autres, obtenues selon
la
direction "c" de compression diffèrent de celles obtenues selon toute
direction "a"
orthogonale à la direction "c"), tandis qu'une compression selon toutes les
directions
(résultat obtenu, par exemple, en comprimant selon trois directions
orthogonales)
conduit à l'obtention de blocs) consolidés) de graphite faiblement
anisotrope(s). En
faisant varier les contraintes de compression appliquées selon chaque
direction sur
chaque épaisseur de graphite expansé ou pré-consolidée, on peut ajuster et
contrôler les
propriétés, notamment thermiques et mécaniques, du moule obtenu.
On soumet, de préférence, la(les) épaisseurs) de graphite
expansé ou pré-consolidées) à une unique opération de compression selon chaque
direction. En d'autres termes, on comprime la(les) épaisseurs) de graphite
expansé ou
pré-consolidées) une seul fois selon chaque direction.
Avantageusement et selon l'invention, on soumet la(les)
épaisseurs) de graphite expansé ou pré-consolidées) à une unique opération de
compression, que cette(ces) épaisseurs) soi(en)t comprimées) selon une unique
direction ou selon plusieurs directions simultanément. Dans la première
version de
l'invention (cas où le graphite expansé est directement disposé sur le
modèle), le
moulage du modèle selon l'invention est donc réduit à deux seules étapes :
formation
d'une (ou plusieurs) épaisseurs) de graphite autour du modèle puis
compression.
En variante, on soumet la(les) épaisseurs) de graphite expansé ou
pré-consolidée(s), selon au moins une direction, à une pluralité d'opérations
distinctes
de compression. Cette mise en oeuvre peut être avantageuse dans la première
version
de l'invention. En effet, on effectue par exemple, selon cette direction, une
première
compression adaptée pour consolider la(les) épaisseurs) de graphite expansé en
vue de
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permettre saleur) manipulation, et, ultérieurement, une deuxième compression
adaptée
pour conférer une densité souhaitée aulx) blocs) consolidé(s).
Avantageusement et selon (invention, dans la première version
de l'invention, on recouvre, au moins partiellement, au moins une épaisseur de
graphite
expansé par une épaisseur de vermiculite expansée, puis on comprime ensemble
toutes
les épaisseurs formées de façon à obtenir, pour chaque épaisseur de
vermiculite formée,
un bloc, dit bloc mixte, de graphite/vermiculite consolidé, c'est-à-dire un
bloc
comprenant une couche de vermiculite consolidée et une couche de graphite
consolidée
et par ailleurs imperméable au matériau à mouler.
De façon similaire, dans la deuxième version de l'invention, on
utilise au moins une épaisseur pré-consolidée, dite épaisseur mixte, formée à
partir d'au
moins deux couches superposées, une en graphite expansé et une autre en
vermiculite
expansée, comprimées ensemble selon au moins une direction de telle sorte que
le
graphite présente une densité comprise entre 30 et 50 kg/m3 et que la
vermiculite soit
consolidée. Chaque épaisseur pré-consolidée mixte utilisée est disposée sur le
modèle
de telle sorte que sa couche de graphite soit orientée vers le modèle. La
compression
d'une telle épaisseur pré-consolidée mixte contre le modèle conduit à
l'obtention d'un
bloc mixte tel que précédemment défini. Il est possible d'utiliser, pour la
fabrication
d'un même moule, au moins une épaisseur pré-consolidée de graphite et au moins
une
épaisseur pré-consolidée mixte.
Les inventeurs ont ainsi constaté, avec étonnement, qu'il était
possible de comprimer ensemble des couches superposées de graphite et de
vermiculite
expansés, et d'obtenir, non seulement la consolidation de chaque couche, en
dépit des
différences structurelles (en terme d'agencement cristallin, de granulométrie,
de mode
de consolidation...) et mécaniques (résistance à la compression, viscosité...)
du graphite
et de la vermiculite, mais aussi une solidarisation desdites couches. Ce
dernier résultat
apparaît surprenant, si l'on considère que le graphite se consolide en premier
et en une
structure ordonnée lamellaire, dont les feuillets parallèles peuvent glisser
les uns par
rapport aux autres et confèrent au graphite recomprimé un caractère
lubrifiant, tandis
que la consolidation de la vermiculite n'intervient qu'après consolidation du
graphite et
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conduit à une structure chaotique. On aurait donc pu s'attendre à ce que la
vermiculite,
qui de surcroît présente une granulométrie supérieure à celle du graphite, ne
puisse pas
venir s'ancrer à la surface lisse et glissante de la couche consolidée de
graphite. Une
solidarisation s'opère pourtant, et on constate a posteriori une légère
imbrication des
plans de graphite et des grains de vermiculite, à l'interface des couches
consolidées.
Selon l'invention, on obtient donc un moule comprenant une
portion "interne" en graphite expansé recomprimé, destinée à être en contact
avec le
matériau à mouler, et une portion "externe" en vermiculite expansée
recomprimée,
enveloppant au moins partiellement la portion de graphite. La vermiculite
expansée
recomprimée étant un très bon isolant thermique, la portion de vermiculite
constitue
une protection isolante qui s'avère utile dans le cas d'un moule destiné à
recevoir un
matériau à mouler porté à haute température. Elle permet en effet de pouvoir
manipuler
le moule au cours des opérations de moulage d'objets, sans risque de brûlure.
Il est à noter que, dans le cas où le matériau à mouler est coulé à
haute température (alliage en fusion par exemple), les propriétés thermiques
du moule
obtenu par un procédé selon l'invention sont particulièrement avantageuses :
les bonnes
conductivité et diffusivité thermiques du graphite expansé recomprimé font du
moule
obtenu un moule chaud (par opposition au moule en sable). Cette
caractéristique du
moule selon l'invention permet d'éviter les problèmes de remplissage du moule,
rencontrés dans les techniques antérieures du fait d'un refroidissement
prématuré du
matériau de moulage en contact avec un moule froid alors que les opérations de
coulée
ne sont pas terminées. Cette caractéristique permet aussi d'obtenir des objets
moulés
homogènes. Elle permet encore et surtout de réguler la température du moule et
donc
de contrôler la vitesse de refroidissement du matériau à mouler, comme
expliqué ci
après.
Avantageusement et selon l'invention, on place des organes de
chauffage/refroidissement, tels qu'une partie d'un circuit électrique
(résistances) ou
hydraulique, dans au moins une épaisseur de graphite expansé ou pré-consolidée
lors de
sa formation (lorsque le graphite est sous forme expansée). A noter que si
l'on utilise
une épaisseur pré-consolidée mixte, les organes de chauffage/refroidissement
sont
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agencés dans la couche de graphite. Compte tenu que 1e graphite expansé
recomprimé
est un bon conducteur thermique (en parïiculier dans la ou les directions) de
compression), qui de surcroît présente une faible inertie thermique, les
organes de
chauffage/refroidissement sont utilisés pour contrôler la température du moule
et donc
la vitesse de refroidissement et de consolidation du matériau à mouler
(alliage en fusion
par exemple). A noter que les contraintes de compression appliquées pour
former le
moule, en présence de tels organes de chauffage/refroidissement, sont choisies
suffisamment faibles pour ne pas endommager lesdits organes, et notamment
suffisamment faibles pour conférer aux(x) bloc(s) une densité (pour le
graphite)
inférieure à 400 kg/m3.
En variante (ou éventuellement en combinaison), on forme,
directement dans la masse de graphite d'au moins un bloc, au moins une
canalisation
adaptée pour recevoir un fluide de chauffage/refroidissement, en plaçant au
moins un
tube destructible (par réaction chimique, par chauffage...) ou amovible dans
l'épaisseur
de graphite expansé ou pré-consolidée correspondante lors de sa formation,
le(s)dit(s)
tubes) étant détruits) ou retirés) une fois ledit bloc consolidé. Les
contraintes de
compression sont choisies suffisamment élevées pour obtenir une densité de
graphite
conférant étanchéité et tenue mécanique à chaque canalisation formée. Ainsi,
on
comprime de préférence la(les) épaisseurs) de graphite expansé ou pré-
consolidées)
de telle sorte que le bloc consolidé présente une densité supérieure à 150
kg/rn3.
En variante ou en combinaison, grâce à la sélectivité optique et à
la bonne diffusivité thermique du graphie expansé recomprimé, il est possible
de
chauffer le moule, ou plus généralement d'en contrôler la température, sans
contact, en
exposant au moins une face en graphite, dite face extérieure, d'au moins un
bloc
consolidé mixte ou de graphite, à une source de rayonnements infrarouges
située à
l'extérieur et à distance du moule. On entend par "face extérieure" une face
en graphite
de l'épaisseur de graphite ou de l'épaisseur mixte, et donc du bloc consolidé
correspondant, destinée à être orientée vers (extérieur du moule et à être
apparente lors
de l'utilisation du moule, de sorte qu'elle peut être exposée à une source de
rayonnements infrarouges.
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Avantageusement et selon l'invention, lors de la compression de
la(des) épaisseurs de graphite, on imprime sur au moins une face extérieure
d'au moins
une épaisseur de graphite expansé ou pré-consolidée (mixte ou non), des formes
en
creux ouvertes, dites formes de capture, adaptées pour piéger des ondes
infrarouges.
Les formes de capture imprimées présentent notamment au moins une dimension
frontale (d'ouverture) comprise entre 1 ~m et 2 cm -et de préférence entre 100
~,m et
1 cm-, et une profondeur comprise entre 1 ~,m et 10 cm -et de préférence entre
5 mm et
5 cm-.
La présence des formes de capture améliore l'apport de calories
par un tel chauffage par rayonnement : une onde incidente pénétrant à
l'intérieur d'une
forme de capture subit de multiples réflexions sur les faces en regard de la
forme de
capture ; l'énergie de l'onde est finalement presque intégralement absorbée
par le
graphite au niveau d'une telle forme de capture (la proportion du flux
incident qui est
réfléchie vers l'extérieur de la forme -et donc perdue- est très faible). Par
ailleurs, en
1 S augmentant la surface de la face extérieure, la présence des formes de
capture contribue
également à faciliter non seulement l'apport de calories mais aussi
l'évacuation de
calories lors d'un refroidissement du bloc de graphite. Finalement, les formes
de
capture diminuent l'inertie thermique du bloc consolidé de graphite, déjà
faible du fait
des propriétés intrinsèques du graphite expansé recomprimé.
Les formes de capture imprimées peuvent être des empreintes
linéaires telles des fentes, rainures, sillons... droit(e)s ou courbes de
section circulaire,
carrée, triangulaire..., ou encore des empreintes ponctuelles de forme
pyramidale,
conique, hémisphérique, cylindrique (section carrée ou circulaire)..., ou des
formes
bien plus complexes. La géométrie des formes imprimées est choisie en fonction
des
longueurs d'onde à absorber et de la réponse thermique souhaitée pour le bloc
consolidé
de graphite.
L'invention permet ainsi de doter un moule de moyens de
régulation de sa température, sans qu'il ne soit nécessaire de munir le moule
d'organes
de chauffagelrefroidissement supplémentaires, ni de prévoir une étape
supplémentaire
dans le procédé de fabrication du moule pour la mise en oeuvre de ces moyens.
Les
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formes de capture sont en effet réalisées dans la masse même du graphite, en
même
temps que sont formés les blocs consolidés de graphite, lors de la compression
des
épaisseurs de graphite expansé ou pré-consolidées. Par ailleurs, de ,par les
propriétés
intrinsèques du graphite, les formes de capture sont réalisées avec une
extrême
précision dimensionnelle, de sorte que l'on obtient un piégeage efficace des
ondes dès
lors que la géométrie et les dimensions des formes de capture sont choisies de
façon
adéquate en fonction de la nature des ondes à piéger. La réalisation des
formes de
capture est contrôlée de façon précise sans que cela ne nécessite l'emploi
d'un outillage
de précision complexe spécifique et coûteux.
A noter que si (on forme une ou plusieurs épaisseurs de graphite
et vermiculite expansés ou si l'on utilise une ou plusieurs épaisseurs pré-
consolidées
mixtes (graphite/vermiculite), un chauffage du moule par rayonnement n'est
possible
que si au moins Tune des faces extérieures du moule (visible lors de
(utilisation de
celui-ci) est en graphite et n'est donc pas recouverte de vermiculite. C'est
dans cette (ou
ces) faces) que sont avantageusement imprimées les formes de capture.
Les deux versions de l'invention s'appliquent notamment à la
fabrication d'un moule de fonderie.
Elles s'appliquent également au moulage d'une partie du corps
humain, telle qu'une main, un bras, une jambe ou même un visage, à des fins
orthopédiques, pour le moulage ultérieur d'orthèses ou de prothèses, mais
aussi
artistiques. A noter qu'il est possible d'utiliser le procédé selon
l'invention pour
fabriquer directement une orthèse en graphite. Le procédé peut également
s'avérer utile
pour (industrie du cinéma (réalisation de moule de main, de masque de
visage...). Pour
ces applications, la deuxième version de l'invention est préférée. IJne faible
compression suffit pour obtenir un moule précis et complet. A noter que si le
modèle
est un visage, il s'agit d'un modèle ouvert (seule une face est à reproduire)
et une seule
épaisseur pré-consolidée est nécessaire.
L'invention s'étend à un moule obtenu par un procédé selon
l'invention, et notamment à un moule de fonderie, un moule, dit moule
orthopédique,
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pour le moulage d'orthèses ou de prothèses, un moule d'art (pour la
reproduction d'une
oeuvre d'art du type sculpture, statue, etc.)...
Avantageusement et selon l'invention, le moule comprend au
moins un bloc consolidé, dit bloc mixte, comportant au moins deux couches
solidaires,
dont une couche de graphite expansé recomprimé et une couche de vermiculite
expansée recomprimée recouvrant au moins partiellement la couche de graphite.
Avantageusement et selon l'invention, le moule comprend au
moins un bloc consolidé mixte ou de graphite présentant au moins une face,
dite face
extérieure (visible depuis l'extérieur à l'utilisation du moule), en graphite,
dotée de
formes ouvertes imprimées en creux, dites formes de capture, adaptées pour
piéger des
ondes infrarouges. Les formes de capture présentent au moins une dimension
frontale
comprise entre 1 ~,m et 2 cm -et de préférence entre 100 ~,m et 1 cm- et une
profondeur
comprise entre 1 ~,m et 10 cm -et de préférence entre 5 mm et 5 cm-.
L'invention s'étend également à un procédé de moulage d'objets,
caractérisé en ce qu'on utilise un moule selon l'invention. Elle s'étend
notamment à un
procédé de fonderie pour mouler un alliage en fusion, dans lequel on utilise
un moule
de fonderie selon l'invention, ainsi qu'à un procédé de fabrication d'une
orthèse ou
d'une prothèse, dans lequel on utilise un moule orthopédique selon
l'invention, et
également à un procédé de reproduction d'une oeuvre d'art de type sculpture,
dans
lequel on utilise un moule d'art selon l'invention.
L'invention concerne également un moule et un procédé de
fabrication de moule caractérisés en combinaison par tout ou partie des
caractéristiques
mentionnées ci-dessus et ci-après.
D'autres buts, caractéristiques et avântages de l'invention
apparaîtront à la lecture de la description suivante qui se réfère aux figures
annexées
représentant des modes de réalisation préférentiels de l'invention donnés
uniquement à
titre d'exemples non limitatifs, et dans lesquelles
- la figure 1 est une vue schématique en coupe d'une presse
utilisée selon la première version de l'invention pour fabriquer un moule,
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- la figure 2 est une vue en perspective d'un moule en deux parties
selon l'invention,
- la figure 2a est une vue en perspective coupée d'une face
extérieure du moule de la figure 2,
- la figure 3 est une vue schématique en perspective,
partiellement coupée, d'une autre presse utilisée selon la première version de
l'invention
pour fabriquer un moule,
- la figure 4 est une vue en perspective d'un autre moule en deux
parties selon l'invention,
- le figure 5 est une vue en perspective illustrant un procédé selon
la deuxième version de (invention.
La figure 1 illustre un procédé de fabrication de moule selon la
première version de l'invention. Dans une presse uniaxiale 1 à plateaux, de
section
carrée ou rectangulaire, on place un modèle 3 conforme aux objets que l'on
souhaite
reproduire à l'aide du moule, une feuille de séparation 7 transversale
séparant la presse
en deux parties au niveau d'un plan médian du modèle 3, et un tube 4 rigide
amovible
ou destructible, de préférence plein, s'étendant entre le modèle 3 et une
paroi de la
presse 1.
On forme ensuite une première épaisseur 5 de graphite expansé
d'un côté de la feuille de séparation 7, c'est-à-dire autour d'une première
moitié du
modèle 3, ainsi qu'une seconde épaisseur 6 de graphite expansé de l'autre côté
de la
feuille de séparation 7, c'est-à-dire autour de l'autre moitié du modèle 3.
Les épaisseurs
5 et 6 formées recouvrent ainsi totalement le modèle 3.
On comprime ensuite les épaisseurs de graphite expansé en
actionnant au moins l'un des plateaux 2 de la presse, jusqu'à obtenir leur
consolidation.
Le taux de compression imposé est choisi en fonction de la destination du
moule, et
notamment du matériau à mouler. Dans le cas d'un moule de fonderie, on
comprime les
épaisseurs de façon â obtenir des blocs consolidés de graphite de densité
supérieure à
100 kg/m3.
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Les deux blocs de graphite parallélépipédiques Sa, 6a ainsi
consolidés par compression sont ensuite retirés de la presse, puis séparés au
niveau de
leur plan de joint délimité par la feuille de séparation 7. On retire ladite
feuille de
séparation, le modèle 3 et le tube 4. On obtient un moule en deux parties 11,
10,
correspondant chacune à un bloc consolidé. La partie 11 comprend une empreinte
9
formée en creux dans le bloc consolidé de graphite 6a, qui correspond
sensiblement à
une moitié du modèle. La partie 10 comprend une empreinte 8 formée en creux
dans le
bloc consolidé de graphite Sa, qui correspond sensiblement à l'autre moitié du
modéle,
ainsi qu'un puits de coulée 12 laissé par le tube 4, qui s'étend entre
l'empreinte 8 et une
face extérieure du bloc.
Chaque bloc 10, 11 présente également des formes de capture
linéaire 13 du type rainure et des formes de capture ponctuelles 14 du type
poinçon, sur
sa face extérieure 15, 16, face contre laquelle a été appliqué le plateau de
presse. Les
plateaux de la presse utilisée sont, pour ce faire, munis chacun d'une matrice
d'impression présentant des picots et nervures (non représentés)
correspondants, ayant
une profondeur (dimension selon la direction de compression) comprise entre 1
cm et
S cm et une largeur comprise entre 1 mm et 1 cm. La compression des épaisseurs
de
graphite expansé 5, 6 entraîne l'impression des formes de capture sur les
faces 15, 16
des blocs 10, 11. Ces formes présentent des dimensions et une géométrie
adaptées pour
piéger des ondes infrarouges. Les formes linéaires sont par exemple des
rainures ou
fentes droites (cylindriques) de section demi-circulaire (telles que 13) ou
carrée ou
triangulaire ou trapézoïdale, ou encore des rainures ou fentes courbes, de
section
quelconque... Les formes ponctuelles sont par exemple des empreintes coniques
ou
encore pyramidales de section carrée ou triangulaire, ou encore hémisphérique,
etc..,
La géométrie des formes de capture peut être encore plus
complexe et résulter de calculs mathématiques de dimensionnement relatifs à
une
application particulière et notamment à une source de rayonnements de longueur
d'onde
donnée. A noter qu'il est possible de réaliser des formes de capture diverses
et variées
sur un même moule (tel qu'illustré), ou de ne prévoir qu'un seul Type de
formes
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(linéaires ou ponctuelles) ou encore de ne prévoir qu'un seul modèle de forme
particulier.
Les formes de capture 13, 14 permettent à la fois de piéger des
ondes infrarouges émises par une source extérieure au moule et d'augmenter la
surface
d'échange du moule, en vue d'améliorer les échanges thermiques par rayonnement
encre
le moule et l'extérieur et donc l'efficacité d'un chauffage ou refroidissement
par
rayonnement.
Les figures 3 et 4 illustrent un autre procédé de fabrication de
moule selon la première version de l'invention. On place, au centre d'une
presse
triaxiale 23
- un modèle 24 reproduisant les objets à fabriquer avec le moule,
- une feuille de séparation 25 entourant le modèle au niveau d'un
plan médian de celui-ci,
- un réseau 26 de tubes rigides prévus dans la feuille de
séparation et destinés à former, au sein du moule, des canalisations de
réception d'un
liquide de chauffage/refroidissement,
- un tube (non représenté) s'étendant au moins encre le modèle et
un plan d'intersection de deux colonnes de la presse en vue de former un puits
de
coulée au sein du moule.
On introduit, dans chaque colonne 34, 35, 36 de la presse, du
graphite expansé 32 de part et d'autre du modèle, de façon à former deux
épaisseurs de
graphite expansé séparées, au centre de la presse, par la feuille de
séparation 25. On
introduit ensuite, dans chaque colonne 34, 35, 36 de la presse, à chaque
extrémité de la
colonne, de la vermiculite expansée 31, qui vient recouvrir les épaisseurs de
graphite
expansé.
On comprime ensuite les épaisseurs formées en déplaçant les six
plateaux de la presse vers le centre de celle-ci, les plateaux de la colonne
35 étant
actionnés selon la direction C, ceux de la colonne 34 selon la direction B et
ceux de la
colonne 36 selon la direction A, jusqu'à ce qu'ils se rejoignent pour former
un cube.
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Le moule formé est ensuite retiré de la presse, puis ouvert par son
plan de joint 33 délimité par la feuille de séparation 25. La feuille 25, les
tubes 26, le
tube de coulée et le modèle 24 sont retirés du moule. On obtient ainsi un
moule en deux
parties 21, 22, correspondant chacune à un bloc consolidé mixte. Chaque partie
ou
moitié de moule comprend en effet une épaisseur interne consolidée 32a de
graphite
expansé recomprimé, qui délimite une empreinte 29, et une épaisseur externe
consolidée 31 a de vermiculite expansée recomprimée, qui enveloppe l'épaisseur
32a et
forme une protection isolante du moule.
Les quantités de graphite et de vermiculite expansés, introduites
dans la presse pour former les épaisseurs correspondantes, sont choisies en
fonction des
dimensions de la presse et de la densité finale souhaitée pour les épaisseurs
consôlidées
31 a et 32a.
Chaque moitié de moule 21, 22 comprend également des sillons
27, 28 formant, avec les sillons conjugués de l'autre moitié de moule, des
canalisations
pour la circulation d'un liquide de chauffage/refroidissement du moule. Au
moins l'une
des moitiés de moule 21, 22 comprend de plus un puits de coulée 30 s'étendant
entre
une face extérieure du moule et l'empreinte 29. Le puits de coulée sert â
l'introduction
ou à l'injection du matériau à mouler, de préférence sous forme liquide.
A noter qu'un circuit indépendant, de circulation de liquide de
chauffage/refroidissement, peut être réalisé dans l'épaisseur 32a de graphite
de chacune
des moitiés de moule. Un tel procédé est préféré car il garantit une parfaite
étanchéité
des circuits. A noter également qu'il est possible d'insérer, dans chaque
épaisseur de
graphite expansé, avant toute compression, des résistances électriques
(câbles)
destinées à être reliées à un générateur de courant en vue du chauffage du
moule par
rayonnement.
Il est également possible, pour obtenir un moule selon l'invention,
d'utiliser une presse uniaxiale telle que celle illustrée à la figure 1, de
former deux
épaisseurs de graphite expansé de part et d'autre d'un modèle, de former
ensuite deux
épaisseurs de vermiculite expansée de part et d'auire des épaisseurs de
graphite, puis de
comprimer les épaisseurs selon une unique direction. On obtient un moule
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parallélépipédique (formé de deux blocs mixtes), dont deux faces opposées
seulement
sont isolées par une épaisseur consolidée de vermiculite.
En variante, on replace les quatre épaisseurs précédemment
consolidées (munies du modèle) dans la presse uniaxiale de telle sorte que les
épaisseurs de vermiculite s'étendent parallèlement à la direction C de
compression de la
presse, puis on recomprime les épaisseurs. Le moule ainsi obtenu est formé de
deux
blocs mixtes ayant été comprimés, de façon successive, selon deux directions
orthogonales. On peut réitérer l'opération de façon à comprimer les épaisseurs
selon
une troisième direction orthogonale aux deux premières.
Avant chacune des deuxième et troisième compressions
susmentionnées, il est possible de former deux nouvelles épaisseurs de
vermiculite
expansée de part et d'autre des épaisseurs précédemment consolidées. On
obtient alors
un moule parallélépipédique (en deux blocs mixtes) dont quatre face sont
isolées par
une épaisseur de vermiculite consolidée si deux compressions seulement sont
effectuées, ou dont les six faces sont isolées si trois compressions sont
effectuées.
A noter que, dans le cas d'un moule ayant au moins une face
dépourvue de protection isolante en vermiculite, la température au sein du
moule peut
également être contrôlée et ajustée par chauffage/refroidissement de
ladite(desdites)
face(s), par contact d'un corps chauffant avec la(les)dite(s) faces puis par
conduction
thermique dans la masse consolidée de graphite. Ainsi, grâce aux propriétés
thermiques
intéressantes du graphite expansé recomprimé, il n'est pas nécessaire de
réaliser ou
d'insérer, au sein de l'épaisseur de graphite, un circuit de
chauffage/refroidissement,
pour pouvoir contrôler la température du moule autour de l'empreinte.
La figure 5 illustre un procédé de moulage de main selon la
deuxième version de l'invention. On utilise pour ce faire, deux épaisseurs 40,
41 pré-
consolidées, formées de graphite expansé ayant été faiblement recomprimé selon
une
direction dans une presse uniaxiale telle que celle utilisée à la figure 1.
Dans l'exemple
illustré, les épaisseurs ont été pré-consolidées par compression selon une
direction
parallèle à la direction D. A noter qu'il est possible d'utiliser des
épaisseurs pré-
consolidées' formées de graphite expansé recomprimé selon plusieurs
directions, et
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notamment selon crois directions orthogonales. Toutefois, un tel procédé grève
inutilement les coûts de fabrication.
Les épaisseurs 40, 41 présentent de préférence une densité
comprise entre 30 et 35 kg/m3, c'est-à-dire tout juste supérieure à la densité
de
consolidation du graphite expansé. De telles épaisseurs pré-consolidées sont
donc
encore très malléables. Une faible pression suffit pour laisser une empreinte
dans le
graphite.
Selon l'invention, on place la main 42 à mouler entre les deux
épaisseurs 40, 41, puis on presse lesdites épaisseurs contre la main, selon la
direction
D. On applique notamment une force de compression sur la face supérieure de
l'épaisseur 41, jusqu'à ce que les épaisseurs recouvrent entièrement la main,
c'est-à-dire
jusqu'à ce que leurs faces en regard 44, 43 se rejoignent. On sépare ensuite
les deux
épaisseurs consolidées, dites blocs consolidés, pour retirer la main du moule.
Il n'est pas nécessaire, selon ce procédé, de prévoir une feuille de
séparation entre les deux épaisseurs 40, 41. Les épaisseurs étant pré-
consolidées, elles
présentent une structure lamellaire en feuillets parallèles pouvant glisser
les uns par aux
autres, lesquels feuillets sont orthogonaux à la direction de pré-
consolidation des
épaisseurs, et donc, en l'exemple, orthogonaux à la direction D. La pression
exercée sur
les épaisseurs 40, 41 pour former le moule se traduit, sur les feuillets
parallèles formant
les surfaces 43 et 44, par des efforts orthogonaux auxdits feuillets, qui sont
insuffisants
pour entraîner leur imbrication.
Il va de soi que l'invention peut faire l'objet de nombreuses
variantes par rapport aux modes de réalisation précédemment décrits et
représentés sur
les figures.
En particulier, l'invention permet de fabriquer, non seulement des
moules en deux parties tels que ceux illustrés, mais aussi des moules d'un
seul tenant
(de tels moules doivent être détruits pour permettre de démouler (objet) ou
des moules
en trois parties et plus. En outre, les presses utilisées peuvent être de type
quelconque et
de section quelconque.
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