Fonderie
Présentation de la réalisation de préformes par moulage.
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Moulage, autrefois
Grèce ancienne, vers 450 av. J.C.
Travail du fer au Moyen-Age, Angleterre vers 1543
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Moulage Références de la présentation
Précis de fonderie, G. Facy et M. Pompidou, AFNOR, 2è édition ; ENSAM Angers, laboratoire industriel de fonderie ; Prof. Timothy Gutowski, http://web.mit.edu/course/2/2.810/ts_temp.
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Méthodes de moulage
• Moulage au sable Alliages à haut point de fusion, géométries complexes, état de surface rugueux
• Moulage de précision Alliages à haut point de fusion, géométries complexes, surfaces de rugosité moyenne
• Moulage en coquille
Alliages à haut point de fusion, géométries moyennement complexes, surfaces de faible rugosité
On s’intéressera particulièrement au premier type
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Les procédés de fonderie Moulage en moule non permanent
TMoulage avec modèle partiel (troussage, carcasses et squelettes) ; TMoulage avec modèle permanent ; TMoulage avec plaque modèle ; TMoulage avec noyaux ; TMoulage par centrifugation ; TMoulage avec insertion ; TMoulage en carapace ; TMoulage en moule céramique ; TMoulage avec modèle non permanent ;
Moulage en moule permanent
TMoulage en coquille par gravité ; TMoulage en coquille sous pression ; TMoulage par centrifugation ;
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Moulage au sable
Principe de base
Évent
Trou de coulée
Flasque Châssis supérieur
Carotte Noyau (sable)
Châssis inférieur
Sable Joint de moulage Sable
Empreinte Canal Attaque de moulage d’alimentation de coulée
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Moulage au sable Châssis supérieur
Principe de base
Pièce
Modèle
Flasque
Sable
Noyau
Châssis inférieur
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Moulage au sable
Exemples de réalisation
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Moulage avec modèle partiel
Troussage rectiligne
Troussage circulaire
Modèle squelette 9
Moulage avec modèle permanent
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Moulage avec modèle permanent Modèles en bois et en plastique
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Moulage avec modèle permanent Prototypage rapide Le prototypage rapide permet de créer directement le modèle physique à partir du modèle numérique CAO, sous 24 à 48 heures.
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Moulage avec plaque modèle
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Moulage avec plaque modèle
V-process
Le V-process est une technique qui a fait son apparition en 1971 et son développement se poursuit encore aujourd’hui. Le V-process est un procédé de moulage sous vide utilisant un film thermoplastique pour donner la forme du modèle aux deux parties du moule.
Principe • Les plaques modèles et châssis sont des caissons permettant ainsi la mise en dépression de l’ensemble. • Après chauffage d’un film thermoplastique, celui-ci est déposé sur le caisson modèle et vient plaquer parfaitement le modèle par une mise en dépression. • Le vide étant maintenu sur le modèle, on vient positionner le caisson châssis qui sera ultérieurement raccordé au système déprimogène.
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Moulage avec plaque modèle V-process Principe – suite –
Avantages
• Le châssis étant rempli de sable extra-silicieux, on provoque des vibrations pour améliorer la compacité du moule. Après égalisation du sable et pose du film plastique (non chauffé) sur la partie supérieure du moule, le châssis est mis sous dépression. • Pour pratiquer le démoulage, il suffit de supprimer le vide dans le caisson et d’insuffler à la place de l ‘air sous faible pression puis de soulever le châssis. • La seconde partie du moule est réalisé suivant le même processus.
• Pas de préparation (sable sans liant) ; • Bonne perméabilité du moule ; • Hautes précisions géométriques et dimensionnelles des pièces coulées ; • Dépouille non nécessaire ; • Matériaux de moulage bon marché ; • Très bon état de surface ; • Aucune usure des châssis par suite des secousses ou du décochage.
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Moulage avec noyaux
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Moulage par centrifugation
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Moulage avec insertion
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C 45
C 25 Acier réfractaire Ailettes de refroidissement
Trou dans une pièce difficilement usinable
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Moulage en carapace
Procédé Croning
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Moulage en moule céramique
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Moulage avec modèle non permanent
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Moulage avec modèle non permanent
Machine d’injection de cire
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Moulage avec modèle non permanent Procédé Lost-Foam Les débuts du Lost-Foam dans l'industrie remontent aux années 80. Signifiant "Mousse-Perdue", ce procédé est à moule et modèle destructible. Il est essentiellement utilisé dans le domaine de l'automobile car sa rentabilité réside dans la complexité des pièces.
Avantages • Pièce sans plan de joint • Moule sans noyau • Sable sans liant • Possibilité de réaliser des pièces complexes
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Moulage avec modèle non permanent Procédé Lost-Foam
Principe • Fabrication du modèle en polystyrène expansé et ses accessoires (les accessoires peuvent être assemblés par collage) • Application d'un enduit (réfractaire) • Disposition du modèle dans un bac que l'on remplit de sable • Répartition du sable dans toutes les cavités par vibrations • Coulée de l'alliage liquide dans le moule ce qui sublime le modèle • Décochage par simple vibration ou insufflation d'air
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Machine de noyautage
Outillage Châssis
Boîte à noyaux
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Système d’attaque
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Système d’alimentation
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Chantier de moulage
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Principaux matériaux de fonderie Principaux alliages de fonderie Xalliages de zinc ; Xalliages d’aluminium ; Xalliages de cuivres ; Xfontes et fontes alliées.
Principaux sables de fonderie Xsables à vert ; Xsables à prise chimique à froid ; XSables pour procédé croning.
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Moulage en coquille par gravité
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Moulage en coquille sous pression Demi-coquille mobile
Demi-coquille fixe Remplissage
Éjecteur Cavité Piston Chemise
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Coquilleuse automatique Principe •Fermeture et verrouillage de la coquille ; •Coulée par basculement ; •Démoulage des broches et des tiroirs ; •Ouverture du moule ; •Éjection de la pièce.
La coquilleuse automatique est un système appartenant à la catégorie du moulage en moules permanents. La seule différence avec la coulée en coquille traditionnelle est l’automatisation de certaines étapes de coulée.
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Coulée continue
Cette technique, déjà utilisée en sidérurgie pour obtenir des produits longs, permet la réalisation de profilés de sections pleines ou creuses de forme très variée. L’alliage en fusion contenu dans un four est admis, par gravité, dans une filière ou une coquille refroidie. A la sortie, une couche solidifiée assure la tenue de l’ensemble, jusquà la fin de la solidification. Une installation comprend : un four de maintien, un moule métallique refroidi, un système de maintien et de traction du profilé. 33
Fusion des matériaux Four à induction
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Simulation numérique
La simulation numérique permet de modéliser le comportement du matériau métallique coulé dans un moule dès les premiers instants du remplissage et ceci jusqu’à la fin du refroidissement du solide dans son empreinte. Avec l’aide des logiciels de simulation numérique, en peut observer les anomalies d’engorgement, les tourbillons, les problèmes de refroidissement, les problèmes de vitesse…
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Simulation numérique Mise en œuvre d’une simulation • Définition de la géométrie à l’aide d’un logiciel de CAO ; • Maillage spatial de la géométrie précédente qui sera ainsi découpée en éléments simples ; • Discrétisation temporelle qui, pour obtenir des résultats fiables, devra être la plus fine possible au détriment du temps de calcul ; • Mise en place des conditions initiales ( température, vitesse, pression métallostatique…) ; • Mise en place des condition aux limites (conditions de flux ou de température imposées aux frontières extérieures) ; • Données thermophysiques (conductivité thermique, capacité thermique, masse volumique, enthalpie massique de solidification pour l’alliage coulé…).
résultats physiques • Température en tout point du maillage ; • Vitesse en tout point du fluide ; • Pression en tout point de l’empreinte ; • Zones contenant un pourcentage donné de solide ou de liquide.
résultats nécessitant une interprétation • Défauts d’écoulement, turbulences, emprisonnement d’air ; • Défauts de retassure.
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Contrôles
Contrôle des sables Les moules et les noyaux doivent résister aux diverses sollicitations (mécaniques, thermiques, chimiques) durant le processus d’élaboration ainsi que lors de la coulée et de la solidification. En revanche, durant le refroidissement et jusqu’au décochage, la décohésion des matériaux de moulage est recherchée afin d’éviter les contraintes internes dans la pièce moulée et faciliter son extraction. Différents contrôles permettent la mesure des caractéristiques des matériaux.
perméabilité Les éléments d'un moule de fonderie doivent être perméables aux gaz. La cohésion d’un sable de fonderie est mesurée par des essais de compression, flexion, traction, cisaillement sur des éprouvettes normalisées.
cohésion
granulométrie
Cette mesure permet de calculer un indice de finesse du sable utilisé ainsi que d'établir on étalement granulométrique. La granulométrie d'un sable se choisit en fonction de l'alliage coulé, de la perméabilité recherchée, de l'état de surface souhaité, etc.
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Contrôles
Contrôle des pièces Contrôle par ressuage Permet de contrôler les défauts débouchant en surface. Un liquide tensio-actif coloré est appliqué en surface d’une pièce et après essuyage de cette surface, les défauts constituent des réserves de liquide qui, par révélation à la lumière blanche ou ultra-violette, deviennent détectable à l’œil.
Contrôle par ultrasons Le sondage est effectué par un faisceau d’ultrasons émis d’un palpeur en contact avec la pièce à contrôler qui, après réflexion sur les défauts rencontrés et les parois de la pièce, est reçu par un palpeur de réception (le même palpeur peut servir à l’émission et à la réception).
Contrôle par induction Méthode comparative basée sur les courants de Foucault pour déceler les criques. La pièce à contrôler passe dans l’axe d’un solénoïde, créant un champ d'induction. La pièce est alors le siège de courants électriques créant à leur tour un champ induit, réagissant sur le circuit primaire. Après étalonnage de l’appareil, on décèlera les pièces produisant un flux différent de la pièce étalon.
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Propriétés et défauts de fonderie Propriétés à prendre en compte Coulabilité (aptitude à remplir le moule) ; Retrait de l’alliage à l’état liquide ; Retrait de l’alliage à l’état solide ; Retassure sur l’hélice du PAN Charles De Gaulle Principaux défauts Retassure (cavité formée durant la phase de solidification due au retrait du métal ) ; Crique (fissures produites par le déchirement du métal au cours du refroidissement) ; Soufflure (trous formés par des bulles de gaz libéré par le métal au cours de sa solidification) ; Ségrégation (hétérogénéité chimique se produisant à la solidification) ; Contraintes résiduelles (retrait et anisotropie créent des contraintes internes). 39
Propriétés de fonderie Retrait des alliages
Alliage
Retrait (%)
Alliage
Retrait (%)
Al-Cu
7à8
Aciers non alliés 5 à 7
Al-Si
3,5 à 5
Aciers alliés
7 à 10
Cu-Sn
4,5
Fontes GL
0,5 à 3
Cu-Zn
6,5
Fontes GS
3à6
Mg
4
Zn
5à6
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Structures métalliques Trois structures obtenues par moulage dans un moule carré
(a) (b) (c)
Métal pur ; Alliage en solution solide ; Structure obtenue en ajoutant des agents de nucléation.
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Transferts thermiques Conduction en régime permanent
Loi de Fourier unidirectionnelle
dT q = −k dx
Équation différentielle unidirectionnelle
∂T k ∂T = ∂t ρc ∂x 2
Valeurs de k (W/m K)
2
Chaleur nécessaire pour solidifier une longueur s
Cuivre
394
Aluminum
222
Fer
ds dq ⎛ ∂T ⎞ ρH =− = k⎜ ⎟ ∂ dt dt x ⎝ ⎠ x =0
Sable
Solution de l’équation conduisant à la loi de Chvorinov
⎛V ⎞ ts = α ⎜ ⎟ ⎝ A⎠
n
29 0.61
Volume à solidifier
s=
V A
n = 1,5 à 2 Aire enveloppe de V α constante ts temps de solidification 42
Transferts thermiques sable
solide
liquide
⎛V ⎞ ts ≈ ⎜ ⎟ ⎝ A⎠
2
Temps de la solidification Loi de Chvorinov
TM
s T0
Moulage au sable
x
ts : temps de solidification ; V : volume du bloc ; A : aire du bloc.
Profil approximatif de la solidification d’un métal pur versé à son point de fusion sur la paroi lisse d’un moule en sable.
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Transferts thermiques moule
solide
Moulage en coquille
liquide
V ts ≈ A Temps de la solidification Loi de Chvorinov
TM
s T0
x
ts : temps de solidification ; V : volume du bloc ; A : aire du bloc.
Profil approximatif de la solidification d’un métal pur versé à son point de fusion sur la paroi lisse d’un moule métallique.
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Tracé des pièces moulées
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Tracé des pièces moulées
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Tracé des pièces moulées
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Tracé des pièces moulées
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Tracé des pièces moulées
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Tracé des pièces moulées
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Tracé des pièces moulées
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Tracé des moules Poulie à fabriquer
Pièce à obtenir au moulage
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Tracé des moules
Modèle en deux parties réalisé par le modeleur
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Tracé des moules
Châssis supérieur
Châssis inférieur
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Tracé des moules
Noyau
Châssis
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Tracé des moules Moule prêt à être coulé
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Tracé des moules Proposer un tracé de moulage de la pièce ci-contre comprenant : 3 le tracé du moule ; 3 la position de la surface de joint ; 3 le tracé des (éventuels) noyaux ; 3 le tracé des surépaisseurs d’usinage ; 3 le système de coulée et les évents. Remarque : toutes les surfaces planes sont fonctionnelles.
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Tracé des moules
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