Brevet FR2887793A1 — publié le 20070105

PROCEDE DE FABRICATION DE PIECES EN SABLE OU NOYAUX A LIANT THERMODURCISSABLE ORGANIQUE OU MINERAL, A PRODUCTIVITE AMELIOREE, DESTINEES A L'INDUSTRIE DE LA FONDERIE EN GENERAL. La présente invention a pour objet un procédé de fabrication de pièces en sable agglomérées avec un liant thermodurcissable organique ou minéral généralement destinées à la fonderie et dénommées noyaux, ainsi que les pièces en sable telles qu'obtenues par la mise en oeuvre du procédé. Dans tout ce qui suit le terme sable est utilisé ici au sens large c'est à dire sans préjuger de la qualité minéralogique du sable qui peut être; à base de silice, chromite, zircon, alumine, oxydes de métaux divers, pouzzolane etc... . De même la forme des grains de sable peut être arrondie, angulaire ou sphérique et les grains eux mêmes creux ou pleins. Il existe déjà des procédés pour la confection de pièces en sable à résine thermodurcissable. Ces procédés sont bien connus et largement utilisés en fonderie pour la fabrication de noyaux. Ces procédés existants sont appelés boites chaudes et utilisent des sables avec liant faisant prise à chaud dits thermodurcissables. Dans ces procédés, les moules utilisés sont appelés en général coquilles ou boites chaudes et sont toujours métalliques. Dans tout ce qui suit le terme moule désigne donc aussi bien une boite chaude ou une coquille. Lors de la confection de la pièce en sable par les procédés existants, le sable est très souvent aujourd'hui introduit dans la coquille utilisée par tir ou soufflage avec détente d'air ou de gaz comprimé qui pousse le sable dans l'empreinte du moule. Les coquilles qui supportent les pressions engendrées par le tir ou le soufflage doivent pouvoir résister sans déformation et possèdent de ce fait des épaisseurs supérieures ou au moins égales à un ou plusieurs centimètres. Il en résulte des moules lourds et encombrants donc difficiles à manipuler qui imposent des temps de cycle et de changement d'outillage longs, limitant la productivité des machines à noyauter utilisées pour la confection des noyaux ou pièces en sable. Par ailleurs, le tir ou soufflage sur ces machines se fait à partir d'un volume de sable lié à la capacité de tir ou de soufflage de la machine à noyauter, ce qui a pour conséquence de limiter également la quantité de sable pouvant être introduite dans le moule donc le nombre de noyaux ou pièces en sable fabriqués à chaque cycle. D'autre part le tir ou le soufflage du sable dans la coquille ou la boite engendre des usures prononcées de celle-ci dans les endroits ou le sable possède une grande vitesse de remplissage. Dans les procédés existants type boites chaudes utilisant des sables thermodurcissables, la boite ou la coquille est chauffée préalablement au remplissage de l'empreinte à la température de cuisson du sable. Le remplissage du sable a donc lieu dans un moule ou coquille à une température généralement comprise entre 270 C et 350 C et la cuisson complète du noyau s'effectue ensuite dans le moule fermé pendant une durée généralement supérieure à 20 secondes et pouvant aller jusque plus d'une minute en fonction du type de sable et de résine utilisés et des épaisseurs du noyau entre autres. Cette cuisson, moule fermé, sur la machine limite également la productivité des procédés existants. Par ailleurs, on constate également avec l'utilisation des moules chauds dans les procédés existants, des difficultés de remplissage provoquant des desserrements de grains de sable localisés en certains endroits des noyaux à cause d'une cuisson prématurée du sable lors du remplissage. De même, avec les procédés existants à liant à prise à chaud on constate des manques ou desserrements de grains de sable dans certains endroits des pièces en sable ou noyaux provoqués par l'opération de tir ou de soufflage; ce qui nécessite sans pouvoir toujours y remédier la réalisation d'échappement d'air dans le moule sous la forme de filtres et l'utilisation d'une plaque de tir adaptée à chaque coquille. Dans ces conditions et d'une manière générale, les procédés de fabrication de pièces en sable ou noyaux existants utilisant des machines à noyauter procédant par tir ou soufflage du sable à liant à prise thermodurcissable, ne permettent pas une amélioration sensible de la productivité pour réduire les coûts de production souhaités par les constructeurs pour faire face à la concurrence des pays en voie de développement. Les procédés existants de production de noyaux ou pièces en sable à liant thermodurcissable procurent des prix de revient assez élevés compte tenu des aspects évoqués et à cause notamment des facteurs suivants: une conception de coquille délicate et qui doit être adaptée à chaque cas; un coût de fabrication des moules onéreux; un nombre d'empreintes dans le moule limité ; un investissement de machine à noyauter coûteux; une durée de vie des moules limitée par les usures dues à l'abrasion du sable tiré ou soufflé ; La présente invention a pour but de résoudre ces problèmes de manière satisfaisante. Ce but est atteint selon l'invention par un procédé de fabrication de pièces en sable de type noyaux destinées à la fonderie à liant thermodurcissable organique ou minéral, caractérisé en ce que le moule utilisé est un moule métallique à paroi mince, dont la température lors du remplissage du sable est inférieure à 100 C, et en ce qu'il comprend les étapes suivantes: a) on prépare ou utilise une composition de sable déjà préparé par ailleurs contenant au moins une qualité de sable et au moins une résine thermodurcissable comprise entre 1 % et 10 % en masse; b) On remplit le moule avec le sable, ainsi préparé ou déjà préparé par simple gravité en appliquant une vibration mécanique ou autre sur le moule; c) On vibre ou pas après le remplissage du moule pendant une durée comprise entre 0 et 30 secondes; d) On chauffe le moule ainsi rempli de sable préparé à une température de cuisson comprise entre 250 C et 500 C; e) On maintient le moule rempli de sable préparé à la température de cuisson pendant une durée comprise entre 10 secondes et 5 minutes; f) On extrait la ou les pièces en sable du moule à une température comprise entre la température de cuisson et 200 C; g) On refroidit le moule jusqu'à une température inférieure à 100 C pour pouvoir recommencer une opération de moulage. Le moule à paroi mince utilisé dans le procédé est un moule généralement tiré d'épaisseur. C'est à dire dont la paroi contourne les différents reliefs de l'empreinte intérieure recevant le sable. Ceci afin de permettre une montée en température et un refroidissement, rapides et homogènes du moule respectivement pendant la cuisson avec le sable, et après l'extraction du noyau. Dans ces conditions et après avoir testé différentes épaisseurs de divers matériaux métalliques lors d'essais pratiqués avec le procédé, la paroi doit comporter idéalement une épaisseur moyenne de l'ordre de 3 à 6 mm pour des pièces en sable d'encombrement moyen pouvant aller jusque 180 mm. Le moule à paroi mince est dans ces conditions un moule métallique dont l'épaisseur moyenne est inférieure à 8 mm, constitué de 2 parties au moins permettant le démoulage de la pièce en sable. Les différentes caractéristiques nécessaires à la fabrication et à l'utilisation des pièces en sable nécessitent parfois la présence dans la composition du sable préparé de certains additifs. Pour ces raisons la composition du sable préparé peut dans certains cas contenir en outre au moins un adjuvant exothermique et/ou fluidifiant et/ou refroidissant et/ou cristallisant tels que respectivement de l'alumine, du talc, de l'oxyde de fer, de fines particules de silice, etc... . Dans ce mode de réalisation du procédé, la qualité du sable utilisé est un sable siliceux tel que le sable actuellement utilisé en fonderie mais peut être également un sable de qualité minéralogique différente c'est à dire; à base de chromite, zircon, alumine, oxydes de métaux divers, pouzzolane etc... . De même la forme des grains de sable peut être arrondie, angulaire ou sphérique et les grains eux mêmes creux ou pleins. Lors du remplissage par gravité du sable dans le moule on applique une vibration. Cette vibration effectuée pendant et éventuellement après le remplissage du moule par le sable préparé, est réalisée par percussion et/ou vibration ultrasonique et/ou vibration infra sonique et/ou vibration par oscillation; ceci afin de permettre un bon remplissage et un bon serrage du sable dans l'empreinte. Par ailleurs, pour permettre un chauffage homogène et uniforme du moule à une température qui peut atteindre 500 C, le chauffage et le maintien des moules sont effectués soit dans au moins un four tunnel à gaz ou à résistances électriques, soit à l'aide au moins d'un simple brûleur à flamme. Il est possible d'utiliser avantageusement pour le chauffage et le maintien en température des moules lors de l'opération de cuisson au moins un système d'induction électrique. Au niveau du moule métallique utilisé par le procédé, celui-ci peut être mono empreinte ou à empreintes multiples. Par ailleurs, ce moule métallique utilisé pour la réalisation des pièces en sable ou noyaux est fabriqué dans tous types de métaux ou alliages, et réalisé par emboutissage et/ou usinage. D'autre part, pour faciliter l'obtention d'un meilleur état de surface des pièces en sable, l'empreinte du moule utilisé peut être recouverte d'une couche de téflon ou de type téflon sur toutes sa surface ou sur une partie de celle-ci. Les pièces réalisées de par leur forme peuvent nécessiter que le moule métallique utilisé comporte outre les 2 demi-moules, des parties amovibles telles que broches, tiroirs, inserts ou autres. De plus, pour la fabrication de pièces en sable d'épaisseur importante ou pour diminuer le temps de cuisson de celles-ci moule fermé afin d'augmenter la productivité, les pièces en sable peuvent subir une opération de cuisson complémentaire à une température comprise en 250 C et 400 C pendant une durée comprise entre 30 sec et 15 minutes, soit immédiatement après leur extraction du moule, soit après leur refroidissement à la température ambiante. Les pièces en sable ou noyaux réalisés selon le procédé sont destinés à être utilisés en fonderie, soit directement dans les moules en sable ou métalliques, soit indirectement en tant que partie intégrante d'un élément incorporé au moule tels que manchons ou autres. D'autres avantages et caractéristiques de la présente invention apparaîtront à la lecture de l'exemple qui suit concernant la réalisation de pièces en sable destinées à la fonderie selon le procédé, donné à titre d'exemple non limitatif. On a fait des essais de réalisation de galettes de coupure de manchons exothermiques destinés à être utilisés dans les moules de fonderie (figure 1). Les galettes fabriquées possèdent un diamètre extérieur de 100 mm et une épaisseur de 10 mm et sont réalisées en sable à liant thermodurcissable. Cette pièce en sable est un pièce circulaire possédant un trou central de 25 mm de diamètre. Pour ces essais nous avons utilisé un sable déjà préparé avec liant thermodurcissable dont la composition en pourcentage pondéral est la suivante: 44% de sable siliceux 110 AFS+44% de sable Zircon 110 AFS+8% d'oxyde de fer+ 4% de résine thermodurcissable. La figure 2 représente le moule utilisé vu en coupe montrant l'empreinte de la pièce en sable à réaliser (C). Les moules sont en deux parties usinées dans des plaques (A) en acier XC38. Sur une série d'essais on a utilisé un moule d'épaisseur e = 3 mm sans revêtement sur la surface de l'empreinte. On a rempli le moule avec le sable préparé par simple gravité en l'introduisant par l'orifice (B) et en appliquant un vibration par percussion sur la surface du moule pendant une durée de 8 secondes. La vibration est obtenue grâce à un vibrateur à came pneumatique. Une fois le moule rempli on a chauffé le moule à l'aide de 2 brûleurs à flamme positionnés de chaque coté de celui-ci à une température de 410 C et on a maintenu cette température pendant une durée de 20 secondes. Aussitôt la fin de cuisson on a ouvert le moule lorsque celui-ci était à une température de 385 C pour extraire la pièce par simple retournement des demis moules ouverts. On a ensuite refroidi le moule par pulvérisation d'eau à une température de 70 C et on a répété ainsi l'opération pour fabriquer plusieurs pièces en sable. Sur une autre série d'essais on a utilisé un moule métallique de 4 mm d'épaisseur (e) en acier XC38 revêtu coté empreinte d'une couche de téflon de 1,5 dixième de millimètre d'épaisseur. On a rempli le moule avec le sable préparé par simple gravité en l'introduisant par l'orifice (B) et en appliquant une vibration par percussion sur la surface du moule pendant une durée de 8 secondes. La vibration est obtenue grâce à un vibrateur à came pneumatique. Une fois le moule rempli on a chauffé le moule à l'aide de 2 brûleurs à flamme positionnés de chaque coté de celui- ci à une température de 410 C et on a maintenu cette température pendant une durée de 20 secondes. Aussitôt la fin de cuisson on a ouvert le moule lorsque celui-ci était à une température de 385 C pour extraire la pièce par simple retournement des demis moules ouverts. On a ensuite refroidi le moule par pulvérisation d'eau à une température de 70 C et on a répété ainsi l'opération pour fabriquer plusieurs pièces en sable. Les pièces en sable ainsi fabriquées selon le procédé ont été utilisées dans les moules de fonderie pour la coulée de pièces en fonte et ont donné toute satisfaction. Pour valider l'industrialisation du procédé selon l'invention, on a assemblé sur un support 5 moules identiques à ceux précédemment utilisés pour la réalisation des pièces en sable 35 galettes de coupure de manchon exothermique . Comme dans l'exemple précédent les moules étaient en acier XC38 avec une épaisseur (e) de 4mm revêtus coté empreinte d'une couche de téflon d'épaisseur 1,5 dixième de millimètre. Chaque moule possède 4 empreintes de pièce en sable galette de coupure de manchon exothermique de diamètre 100 mm et d'épaisseur 10 mm, reliées entre elles 2 à 2 par un orifice permettant leur remplissage par le sable; chaque moule comportant en outre 2 orifices de remplissage du sable situés au dessus des 2 empreintes supérieures. Les dimensions extérieures d'un moule sont; 250 mm en largeur et 250 mm en hauteur. Les 5 moules assemblés sur le support présentaient ainsi une longueur totale de 1250 mm. Le support sur lequel les 5 moules sont positionnés comporte un dispositif de serrage des demi parties de moules en position fermées, aussi qu'un dispositif de vibration composé de 2 vibrateurs pneumatiques fixés sur le support. On a réalisé par ailleurs, une trémie de stockage du sable préparé, muni d'un orifice de sortie du sable dans sa partie inférieure d'une largeur de 8 mm et d'une longueur de 1200 mm. L'ouverture et la fermeture de cet orifice sont assurées par une vanne pneumatique. Par ailleurs, un tunnel de cuisson des moules sur le support à été confectionné en matériaux réfractaires isolants et sur lequel ont été fixées 2 rampes de 5 brûleurs placés sur les côtés latéraux du tunnel et débouchant à l'intérieur de celui-ci. A l'aide de ces aménagements, nous avons réalisé des pièces en sable galettes de coupure de manchon exothermique conformément à l'invention. Dans un premier temps, le sable préparé déjà utilisé lors des précédents essais à été introduit dans la trémie de stockage. On a ensuite placé l'ensemble du support avec les 5 moules en position fermés et serrés sous la trémie de stockage du sable préparé. On a rempli les 5 moules simultanément, avec le sable préparé en ouvrant la vanne pneumatique de la trémie de stockage et en appliquant dans le même temps une vibration à l'aide des deux vibrateurs pneumatiques fixés sur le support, pendant une durée de 12 secondes. Après avoir fermé la vanne pneumatique de la trémie de stockage, on a orienté le support et les 5 moules maintenus en position fermée et serrée par le dispositif de serrage vers le tunnel 30 de cuisson. Placés dans le tunnel de cuisson les moules on été chauffés à l'aide des 2 rampes de brûleurs positionnées de chaque coté du tunnel, à une température de 420 C et on été maintenu à cette température pendant une durée de 20 secondes. La durée de montée en température à 420 C, des moules placés dans le tunnel de cuisson, a été de 20 secondes également. Immédiatement, après on a extrait les 5 moules et leur support du tunnel de cuisson. On a ensuite ouvert les moules, qui étaient à une températures de 385 C et on a extrait les pièces en sable. Les moules toujours sur leur support mais en position ouverts ont ensuite été refroidis par pulvérisation d'eau jusqu'à une température de 80 C. Les durées des différentes étapes du procédé ont été les suivantes; étape (a) préparation du sable (hors cycle). - étape (b) et (c) remplissage des moules et vibration: 12 secondes étape (d) chauffage des moules à 420 C: 20 secondes - étape (e) maintien à 420 C des moules: 20 secondes -étape (f) ouverture des moules et extraction des pièces en sable: La durée maximale de chaque étape selon l'invention étant toujours inférieure à 20 secondes dans l'exemple choisi, le procédé permet donc après automatisation de réaliser 180 cycles de fabrication par heure. Avec la pièce en sable de l'exemple choisi, et avec l'utilisation d'un support de 5 moules à 4 empreintes simultanément à chaque étape, le procédé permet donc une production de 3600 pièces en sable à l'heure. Les procédé existants sur ce même type de pièces ne permettent pas de dépasser une production de 1500 pièces par heure. Le procédé objet de l'invention permet donc de doubler la productivité par rapport aux procédés existants. Cette amélioration de productivité, alliée à l'utilisation d'un moule simple et léger de coût de fabrication réduit permettant une multiplication des moules utilisés, conduit à des coûts de revient par pièce en sable réalisée largement inférieure aux coûts des procédés existants avec liant thermodurcissable. La figure 3 représente, une installation pour la fabrication de pièces en sable ou noyaux à liant thermodurcissable selon le procédé. Cette installation comprend: une cellule de stockage du sable préparé (D); une station de remplissage du moule (E), comportant un dispositif de serrage et de 30 vibration du moule; une unité de chauffage et de maintien à la température de cuisson du moule rempli de sable (F) ; - une station de démoulage (G) comprenant un dispositif d'ouverture du moule pour permettre d'extraire les pièces en sable ou noyaux cuits; - un circuit de transfert des moules (21) de la station de remplissage (E) à l'unité de chauffage et de maintient (F) ; - un circuit de transfert des moules (22) de l'unité de chauffage et de maintient (F) à la station de démoulage (G) un circuit de retour (23) des moules de la station de démoulage (G) à la station de remplissage (E) comprenant éventuellement un système de refroidissement des moules par pulvérisation d'eau ou autre; un circuit d'évacuation des pièces en sable ou noyaux (24). L'invention concerne donc également, une installation pour la fabrication de pièces en sable ou noyaux à liant thermodurcissable selon le procédé. Cette installation comprend au moins: une cellule de stockage du sable préparé (D); une station de remplissage du moule (E), comportant un dispositif de serrage et de vibration du moule; une unité de chauffage et de maintien à la température de cuisson du moule rempli de sable (F) ; une station de démoulage (G) comprenant un dispositif d'ouverture du moule pour permettre d'extraire les pièces en sable ou noyaux cuits; un circuit de transfert des moules (21) de la station de remplissage (E) à l'unité de chauffage et de maintient (F) ; - un circuit de transfert des moules (22) de l'unité de chauffage et de maintient (F) à la station de démoulage (G) un circuit de retour (23) des moules de la station de démoulage (G) à la station de remplissage (E) comprenant éventuellement un système de refroidissement des moules par pulvérisation d'eau ou autre; un circuit d'évacuation des pièces en sable ou noyaux (24). REVENDICATIONS 1) Procédé de fabrication de pièces en sable de type noyaux destinées à la fonderie à liant thermodurcissable organique ou minéral, caractérisé en ce que le moule utilisé est un moule métallique à paroi mince, dont la température lors du remplissage du sable est inférieure à 100 C, et en ce qu'il comprend les étapes suivantes: a) on prépare ou utilise une composition de sable déjà préparé par ailleurs contenant au moins une qualité de sable et au moins une résine thermodurcissable comprise entre 1 % et 10 % en masse; b) On remplit le moule avec le sable, ainsi préparé ou déjà préparé par simple 10 gravité en appliquant une vibration mécanique ou autre sur le moule; c) On vibre ou pas après le remplissage du moule pendant une durée comprise entre 0 et 30 secondes; d) On chauffe le moule ainsi rempli de sable préparé à une température de cuisson comprise entre 250 C et 500 C; e) On maintient le moule rempli de sable préparé à la température de cuisson pendant une durée comprise entre 10 secondes et 5 minutes; f) On extrait la ou les pièces en sable du moule à une température comprise entre la température de cuisson et 200 C; g) On refroidit le moule jusqu'à une température inférieure à 100 C pour pouvoir 20 recommencer une opération de moulage. 2) Procédé selon revendication 1, caractérisé en ce que la composition du sable préparé contient en outre au moins un adjuvant exothermique et/ou fluidifiant et/ou refroidissant et/ou cristallisant tels que respectivement de l'alumine, du talc, de l'oxyde de fer, de fines particules de silice. 3) Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la qualité du sable utilisé pour la préparation du sable peut être indifféremment de la silice, de la chromite, du Zircon, alumine, oxydes de métaux divers, pouzzolane etc... . et la forme des grains de sable peut être arrondie, angulaire ou sphérique et les grains eux mêmes creux ou pleins. 4) Procédé selon revendication 1, caractérisé en ce que le moule à paroi mince est un moule métallique constitué de deux parties au moins permettant le démoulage de la pièce en sable dont l'épaisseur moyenne est inférieur à 8 mm. 5) Procédé selon revendication 1, caractérisé en ce que la vibration effectuée pendant et éventuellement après le remplissage du moule par la sable préparé, est réalisé par percussion et/ou vibration ultrasonique et/ou vibration infra sonique et/ou vibration par oscillation. 6) Procédé selon revendication 1, caractérisé en ce que le chauffage et le maintien à la température de cuisson des moules sont effectués soit dans au moins un four tunnel à gaz ou à résistance électrique, soit à l'aide au moins d'un simple brûleur à flamme. 7) Procédé selon revendication 1, caractérisé en ce que le chauffage et le maintien à la température de cuisson des moules sont effectués par au moins un système d'induction électrique 8) Procédé selon revendication 1, caractérisé en ce que le moule métallique utilisé peut être monoempreinte ou à empreintes multiples. 9) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 8, caractérisé en ce que le moule 10 métallique utilisé pour la réalisation des pièces en sable est fabriqué dans tous types de métaux ou alliages. 10) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1,8 ou 9, caractérisé en ce que le moule utilisé pour la réalisation des pièces en sable est réalisé par emboutissage et/ou usinage. 11) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1,8,9 ou 10 caractérisé en ce que l'empreinte du moule utilisé pour la réalisation de pièces en sable est recouverte d'une couche de téflon ou de type téflon sur toute sa surface ou sur une partie de celle-ci; 12) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1,8,9,10 ou 11 caractérisé en ce que le moule métallique utilisé comporte outre les 2 demi moules, des parties amovibles telles que broches, tiroirs, inserts ou autres; 13) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que les pièces en sable réalisées subissent une opération de cuisson complémentaire, à une température comprise entre 250 C et 400 C pendant une durée comprise entre 30 sec et 15 minutes. Soit immédiatement après leur extraction du moule, soit après leur refroidissement à la température ambiante; 14) Pièces en sable ou noyaux destinés à être utilisés en fonderie, soit directement dans les moules en sable ou métalliques, soit indirectement en tant que partie intégrante d'un élément incorporé au moule tels que des manchons ou autres, caractérisée en ce qu'elles sont réalisées selon l'une quelconque des revendication 1 à 13. 15) Installation pour la fabrication de pièces en sable ou noyaux à liant thermodurcissable selon l'une quelconque des revendication 1 à 14 caractérisée en ce qu'elle comprend au moins: une cellule de stockage du sable préparé (D); une station de remplissage du moule (E), comportant un dispositif de serrage et de 35 vibration du moule; une unité de chauffage et de maintien à la température de cuisson du moule rempli de sable (F) ; une station de démoulage (G) comprenant un dispositif d'ouverture du moule pour permettre d'extraire les pièces en sable ou noyaux cuits; un circuit de transfert des moules (21) de la station de remplissage (E) à l'unité de chauffage et de maintient (F) ; un circuit de transfert des moules (22) de l'unité de chauffage et de maintient (F) à la station de démoulage (G) un circuit de retour (23) des moules de la station de démoulage (G) à la station de remplissage (E) comprenant éventuellement un système de refroidissement des moules par pulvérisation d'eau ou autre; un circuit d'évacuation des pièces en sable ou noyaux (24).