Fonderie

Fonderie
Présentation de la réalisation
de préformes par moulage.
1
Moulage, autrefois
Grèce ancienne,
vers 450 av. J.C.
Travail du fer au Moyen-Age,
Angleterre vers 1543
2
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
7
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
10
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
13
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
38 Cr 4
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
20
Moulage avec modèle non permanent
21
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
25
Système d’attaque
26
Système d’alimentation
27
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.
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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
ƒ Retassure (cavité formée durant la phase de solidification due au retrait du métal ) ;
ƒ Crique (fissures produites par le déchirement du métal au cours du refroidissement) ;
ƒ Soufflure (trous formés par des bulles de gaz libéré par le métal au cours de sa
solidification) ;
ƒ Ségrégation (hétérogénéité chimique se produisant à la solidification) ;
ƒ Contraintes résiduelles (retrait et anisotropie créent des contraintes internes).
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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
45
Tracé des pièces moulées
46
Tracé des pièces moulées
47
Tracé des pièces moulées
48
Tracé des pièces moulées
49
Tracé des pièces moulées
50
Tracé des pièces moulées
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Tracé des moules
Poulie à fabriquer
Pièce à obtenir au moulage
52
Tracé des moules
Modèle en deux parties réalisé par le modeleur
53
Tracé des moules
Châssis supérieur
Châssis inférieur
54
Tracé des moules
Noyau
Châssis
55
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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