Brevet FR2921281A1 — publié le 20090327

L'invention concerne une préforme constituée d'éléments agrégés et utilisée comme noyau destructible pour la fabrication, par voie de fonderie, d'une mousse (ou éponge) de métal ou d'alliage à cellules ouvertes. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'une mousse de métal ou d'alliage à cellules ouvertes, utilisant une telle préforme. Plus particulièrement, la préforme de l'invention est utilisée pour fabriquer une mousse d'aluminium ou d'alliage d'aluminium. Le document DE 197 25 210 Cl décrit un procédé dans lequel des billes de sable (i.e. chaque bille est formée de grains de sable agglomérés), de 5 mm de diamètre, sont versées puis tassées dans un moule, à l'intérieur duquel on coule de l'aluminium. Lesdites billes restent libres les unes par rapport aux autres et ne sont donc pas agrégées (i.e. elles ne sont pas réunies en un tout solide). C'est le moule de coulée qui maintient en place les billes et, par conséquent, les billes périphériques doivent être en appui contre les parois de ce moule. Ce procédé ne permet donc pas de réaliser en une seule coulée, des pièces avec "peau". Contrairement à DE 197 25 210 Cl, l'invention concerne une préforme constituée d'éléments agrégés. On peut donc disposer ladite préforme dans un moule de coulée - on parle d'étape de remmoulage - en laissant un espace vide entre la préforme et une paroi du moule, puis couler ledit métal ou alliage fondu dans le moule, de manière à réaliser une pièce de métal ou d'alliage avec une zone en mousse au centre, à la place de ladite préforme, et une zone pleine périphérique, à la place dudit espace vide. Lorsque la zone pleine est une (fine) couche de métal ou d'alliage entourant la zone en mousse, elle forme une enveloppe extérieure ou "peau". La publication intitulée "Tensile Behavior of Replicated Aluminum Foams", écrite par J.F. Despois, Y. Conde, C. San Marchi et A. Mortensen, et parue dans la revue Advanced Engineering Materials 2004, 6, n° 6, page 444, décrit l'utilisation d'une préforme constituée d'éléments agrégés, pour réaliser une mousse d'aluminium. Ces éléments agrégés sont des grains de sel avec plus de 98% de NaCI et de 1 à 2% de Ca(PO4)2, et sont de taille inférieure à 400 pm. Ces grains ont subi une pression isostatique à froid pour être agrégés, des interstices subsistant entre les grains. Une fois la préforme réalisée, elle est positionnée dans un moule de coulée (remmoulage). Puis, de l'aluminium fondu pur à 99,99 % est coulé sous pression d'argon dans le moule pour infiltrer la préforme. Après solidification de l'aluminium et démoulage, le sel est dissous par dissolution dans de l'eau distillée, et on obtient la mousse d'aluminium à cellules ouvertes souhaitée. La forme et la taille des cellules de cette mousse est déterminée par la forme et la taille des grains de sel puisque les cellules sont le "négatif" de ces grains. On atteint les limites de ce procédé connu lorsqu'on souhaite utiliser des éléments de plus grande taille, notamment de dimensions supérieures à lmm, car ces éléments deviennent de plus en plus difficiles à agréger par simple compression. La préforme ne présente plus, alors, la tenue mécanique minimale pour pouvoir être manipulée, en particulier lors de l'étape de remmoulage. L'invention a pour but de proposer une préforme et un procédé utilisant une telle préforme, qui permettent de réaliser, plus particulièrement, une pièce de métal ou d'alliage avec une zone en mousse au centre, à la place de ladite préforme, et une zone pleine périphérique (notamment une "peau" entourant la pièce). Pour atteindre ce but, l'invention a pour objet une préforme constituée d'éléments agrégés, utilisée comme noyau destructible pour la fabrication, par voie de fonderie, d'une mousse de métal ou d'alliage à cellules ouvertes, lesdits éléments définissant entre eux des interstices de dimensions suffisantes pour permettre l'insertion dudit métal ou alliage fondu, et lesdits éléments étant agrégés au moyen d'un liant. Grâce audit liant, la préforme présente la tenue mécanique minimale pour pouvoir être manipulée, en particulier lors de l'étape de remmoulage, ce qui rend cette préforme particulièrement adaptée à la fabrication de pièces avec "peau". L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'une mousse de métal ou d'alliage à cellules ouvertes, par voie de fonderie, comprenant les étapes suivantes : - on fournit une préforme telle que précédemment décrite; - on coule un métal ou un alliage fondu sur ladite préforme de sorte que celui-ci s'infiltre dans ladite préforme; et - on détruit ladite préforme après solidification du métal ou de l'alliage. Les avantages d'un tel procédé sont liés aux avantages de ladite 35 préforme et notamment, au fait de pouvoir manipuler cette préforme sans qu'elle de désagrège. En outre, le procédé présente l'avantage d'être industrialisable. Selon un mode de mise en oeuvre du procédé, on dispose ladite préforme dans un moule en laissant un espace vide entre la préforme et une paroi dudit moule, et on coule ledit métal ou alliage fondu dans ledit moule, de manière à réaliser une pièce de métal ou d'alliage avec une zone en mousse à la place de ladite préforme et une zone pleine à la place dudit espace vide. Concernant la préforme de l'invention, le choix du liant est important et, de préférence, celui-ci doit répondre aux exigences suivantes. D'abord, il doit garantir une tenue mécanique minimale de la préforme, de manière à pouvoir manipuler celle-ci, tout en étant utilisé dans des proportions limitées. En effet, si le liant était utilisé dans des proportions trop importantes, il colmaterait les interstices entre les éléments de la préforme et empêcherait l'alliage de s'y infiltrer. La mousse réalisée présenterait alors des irrégularités de structure. Ensuite, le liant doit pouvoir supporter lors de la coulée, la température du métal ou de l'alliage qui infiltre la préforme, pendant le temps nécessaire à la solidification dudit métal ou alliage, de manière à empêcher lesdits éléments de se détacher. En outre, le liant doit générer, lors de la coulée du métal ou de l'alliage, un dégagement de gaz limité, car un dégagement de gaz trop important conduirait à des irrégularités de structure dans la mousse réalisée. Enfin, le liant ne doit pas empêcher la destruction et l'évacuation des éléments de la préforme après solidification du métal ou de l'alliage, et doit pouvoir être évacué avec ces éléments. Selon un mode de réalisation de l'invention, le liant retenu pour réaliser la préforme de l'invention est un liant en polyuréthane, ce type de liant répondant aux exigences précitées. Jusqu'à présent, ce type de liant était utilisé en fonderie, uniquement pour réaliser des moules non permanents en sable. Dans cette application connue, le liant en polyuréthane sert à agglomérer les grains de sable pour fabriquer des moules rigides et massifs, donnant à la pièce de fonderie sa forme. Ces moules doivent pouvoir être traversés par les gaz générés lors de la coulée du métal fondu dans le moule mais, par contre, ils ne doivent pas pouvoir être traversés par le métal fondu, le temps de la coulée et de la solidification : ils doivent empêcher toute fuite du métal. A l'inverse, dans la préforme de l'invention, le liant est utilisé pour un collage "par points" d'éléments qu'il s'agit d'assembler en une structure régulière et infiltrable par le métal lors de la coulée. La finalité n'est donc plus du tout d'éviter la pénétration du métal, mais au contraire d'avoir une agglomération d'éléments en une structure infiltrable par le métal. Là où pour les moules en sable, le liant doit assurer la rigidité et éviter la pénétration du métal, pour l'invention, au contraire, le liant doit agréger des éléments tout en laissant des sections de passage maximales pour le métal, entre lesdits éléments. Selon un mode de réalisation, les éléments constituant la préforme sont de dimension supérieure ou égale à 1 mm, de manière à garantir une taille d'interstice entre les éléments favorable à l'infiltration d'un métal ou d'un alliage fondu. L'invention ne se limite pas à l'aluminium ou aux alliages d'aluminium. Au contraire, elle concerne tout type de métal ou d'alliage comme, par exemple, les alliages de zinc, de cuivre, les fontes, les aciers... On notera que le choix du métal ou de l'alliage est guidé par la tenue à la température des éléments constituant la préforme, plus ces éléments résistent à la température et plus la température de coulée de l'alliage peut être élevée. On notera également que la capacité d'infiltration du métal ou de l'alliage dépend de la nature de celui-ci. Ainsi, un métal en aluminium ou en alliage d'aluminium a généralement plus de facilité à s'infiltrer qu'un alliage ferreux. De même, plus il est pur et plus l'aluminium s'infiltre facilement dans la préforme. Selon un mode de réalisation de l'invention, les éléments qui constituent la préforme sont des billes. Ils ont, par conséquent, une forme générale sphérique. La forme sphérique des éléments garantit un empilement compact et régulier de ces éléments, de sorte que la mousse fabriquée présente une structure homogène. Pour fabriquer une mousse isotrope, on utilise, de préférence, des billes de même diamètre. Pour améliorer la compacité de la préforme, on peut utiliser des billes de diamètres différents. Selon un mode de réalisation de l'invention, les éléments qui constituent ladite préforme sont des billes de diamètre supérieur ou égal à 4 mm. A partir d'un tel diamètre, il est généralement possible de couler la plupart des métaux et alliages fondus à la pression atmosphérique. Le coût de fabrication de la mousse s'en trouve diminué. Selon un mode de réalisation de l'invention, les éléments qui 5 constituent la préforme sont en sel de base NaCl. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, les éléments qui constituent la préforme sont en kaolin. Le kaolin a pour principal avantage d'être entièrement recyclable. Le liant et le matériau des éléments constituant la préforme sont 10 choisis pour pouvoir être détruits après moulage de la préforme. Plusieurs techniques peuvent être utilisées pour détruire la préforme: par dissolution, par vibration, par traitement thermique. D'une manière générale, on fragilise le liant et lesdits éléments, après remplissage de la préforme par le métal ou l'alliage, par une sollicitation mécanique, chimique, physique ou combinée. 15 Selon un mode de réalisation de l'invention, la masse de liant est comprise entre 1 et 3 % de la masse des éléments qui constituent la préforme. Une utilisation du liant dans ces proportions relativement faibles permet d'obtenir un bon compromis entre la tenue mécanique de la préforme et le fait d'obturer le moins possible les interstices entre les éléments 20 agrégés, de manière à favoriser la pénétration du métal ou de l'alliage fondu. Concernant le procédé de fabrication d'une mousse de métal selon l'invention, selon un mode de mise en oeuvre de ce procédé, ledit métal ou alliage fondu est coulé sous pression, de manière à favoriser son infiltration dans la préforme. Par exemple, le métal ou alliage fondu est injecté dans le 25 moule contenant la préforme au moyen d'un piston qui exerce une pression sur le métal ou l'alliage fondu. En alternative, on peut couler l'alliage sous une pression de gaz neutre (typiquement de l'argon). En alternative, on positionne la préforme dans un moule, on coule l'alliage par la face supérieure du moule et on crée une dépression au niveau de la face 30 inférieure du moule. Selon un mode de réalisation du procédé de l'invention, ledit métal ou alliage fondu est coulé à la pression atmosphérique. Le procédé est ainsi plus économique. Ceci est possible avec la plupart des métaux ou alliages lorsque les éléments qui constituent ladite préforme sont des billes de 35 diamètre supérieur ou égal à 4 mm. L'invention et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la description détaillée qui suit. Cette description fait référence aux figures annexées sur lesquelles : - la figure 1 représente schématiquement un exemple de préforme selon l'invention ; - les figures 2a et 2b représentent schématiquement différentes étapes d'un exemple de procédé de fabrication de la préforme de la figure 1; et - les figures 3a à 3d représentent schématiquement différentes 10 étapes d'un exemple de procédé de fabrication d'une mousse d'alliage utilisant la préforme de la figure 1. La préforme 10 représentée sur la figure 1 est constituée d'éléments agrégés entre eux par un liant. Les éléments 12 sont des billes de sel de base NaCl. Ces billes sont de même diamètre et, par exemple, celui-ci 15 est compris entre 5 et 10 mm. La proportion relative de liant dans la préforme est faible et les éléments 12 sont reliées entre elles "ponctuellement", en ce sens que la surface de contact entre les éléments 12 est faible par rapport à la surface totale de chaque éléments. La surface de contact peut ainsi être assimilée à un point de contact. Ceci permet de 20 garantir l'existence de "grands" interstices 13 entre les éléments 12. C'est dans ces interstices que s'infiltre le métal ou l'alliage fondu constitutif de la mousse qui sera fabriquée. Différentes méthodes peuvent être employées pour fabriquer les éléments 12. Il est important de pouvoir s'assurer de la répétitivité de la 25 méthode employée, pour garantir une régularité de forme et de taille des éléments 12 réalisés. En effet, le contact entre les éléments 12 dépend de la forme et de la taille de ces éléments. Or, si un élément 12 était isolé des autres éléments 12 (i.e. sans contact avec eux), il ne pourrait pas être détruit et évacué et il resterait donc prisonnier à l'intérieur de la mousse. 30 Différentes formes peuvent être retenues pour les éléments 12 (prismatique, sphérique, etc.). La forme sphérique présente des avantages dans le cadre d'un empilement "en vrac" des éléments 12 dans un moule (voir figure 2b), car elle permet d'obtenir un empilage correct et régulier de ces sphères et, donc, l'absence d'éléments 12 isolés et une préforme 35 compact dont tous les éléments sont en contact. En référence aux figures 2a et 2b, on va maintenant décrire un exemple de procédé de fabrication d'une préforme 12. Tout d'abord, on fournit une quantité d'éléments 12. Ces éléments 12 sont versés dans un récipient 16. Le liant en polyuréthane utilisé pour agréger les éléments 12 est bi-composant. Aussi, on verse d'abord dans le récipient 16 un premier composant 18 : un polymère à motif hydroxyle, avec phénols ou polyols, puis on agite ce récipient une première fois pour enrober les éléments 12 avec le premier composant 18. Ensuite, on verse dans le récipient 16 un deuxième composant 20 : un polyisocyanate, et on agite ce récipient une deuxième fois pour enrober les éléments 12 avec le deuxième composant 20. Grâce à l'action d'un catalyseur (par exemple un amine tertiaire ou un dérivé d'amine tertiaire) présent dans le premier ou le deuxième composant, ou ajouté séparément, la réticulation se produit pour former un liant en polyuréthane. Le temps nécessaire à cette polymérisation peut varier, notamment en fonction de la quantité de catalyseur. Généralement, la prise se fait à froid et à l'air. Après l'enrobage et avant la prise du liant, on verse les éléments 12 dans un moule 22 de forme correspondante à celle de la préforme 10 que l'on souhaite réaliser. De préférence, pour garantir un bon empilement des éléments 12 dans le moule 22, on dépose les éléments 12 couche par couche : on dépose une première couche d'éléments 12, puis on densifie ces éléments avant de déposer une deuxième couche, etc. Le nombre de couche dépend de la forme et de la taille de la préforme 10. Pour densifier les éléments 12, soit on les tasse, soit on soumet le moule 22 à des secousses et/ou à d'autres mouvements adaptés. Une fois le liant en polyuréthane pris, on démoule la préforme 10. On obtient ainsi la préforme 10 représenté sur la figure 1. En référence aux figures 3a à 3d, nous allons maintenant décrire un exemple de procédé de fabrication d'une pièce 20 en alliage d'aluminium selon l'invention. Dans cet exemple, on utilise un moule en sable 24. Ce moule en sable 24 comprend une partie supérieure 24a et une partie inférieure 24b qui emprisonnent la préforme 10 de telle sorte qu'il subsiste un espace vide 15 entre la préforme 10 et une paroi interne 25 du moule (voir fig. 3a). La technique de moulage en sable étant bien connue de l'homme du métier, elle ne sera pas décrite plus en détail. Comme alternative au moule en sable, on peut utiliser un moule métallique. Ensuite, on coule l'alliage fondu 27 dans le moule en sable 24 comme schématisé sur la figure 3b. L'alliage remplit alors l'espace vide 25 et s'infiltre dans la préforme 10. Après solidification de l'alliage, on détruit le moule en sable 24. A ce stade, la préforme 10 est toujours contenue dans la pièce 20 et doit donc encore être détruite. Pour ce faire, on plonge la pièce 20 dans un solvant 26 (voir fig. 3c), de sorte que la préforme 10 se dissout. La pièce obtenue après destruction de la préforme 10 présente deux types de zones (voir fig. 3d) : des zones en mousse 20a creuses, à la place de la préforme 10 ; et des zones pleines 20b en alliage à la place de l'espace vide 25. La pièce 20 présente ainsi une "peau" autour de la zone en mousse 20a. Ainsi, ce procédé permet de réaliser une pièce 20, associant zones pleines 20b et zones en mousse 20a, les zones en mousse 20a étant recouvertes d'une "peau" de pièce. Ainsi, les zones en mousses 20a peuvent être limitées aux zones de la pièce qui le requièrent (par exemple pour obtenir un allègement, ou une modification du comportement vibratoire de la pièce) tandis que les zones les plus sollicitées mécaniquement peuvent rester pleines. REVENDICATIONS 1. Préforme (10) constituée d'éléments (12) agrégés, utilisée comme noyau destructible pour la fabrication, par voie de fonderie, d'une mousse de métal ou d'alliage à cellules ouvertes, lesdits éléments (12) définissant entre eux des interstices (13) de dimensions suffisantes pour permettre l'insertion dudit métal ou alliage fondu, caractérisée en ce que lesdits éléments (12) sont agrégés au moyen d'un liant. 2. Préforme selon la revendication 1, dans laquelle ledit liant est un liant en polyuréthane. 3. Préforme selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle lesdits éléments (12) sont de dimensions supérieures ou égales à 1 mm. 4. Préforme selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle lesdits éléments (12) sont des billes. 5. Préforme selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans 20 laquelle lesdits éléments (12) sont des billes de diamètre supérieur ou égal à 4mm. 6. Préforme selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle lesdits éléments (12) sont en sel de base NaCl. 7. Préforme selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle lesdits éléments (12) sont en kaolin. 8. Préforme selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans 30 laquelle la masse dudit liant est comprise entre 1 % et 3% de la masse desdits éléments (12). 9. Procédé de fabrication d'une mousse de métal ou d'alliage à cellules ouvertes, par voie de fonderie, comprenant les étapes suivantes : 25- on fournit une préforme (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes; - on coule un métal ou un alliage fondu sur ladite préforme (10) de sorte que celui-ci s'infiltre dans ladite préforme; et - on détruit ladite préforme après solidification du métal ou de l'alliage. 10. Procédé de fabrication selon la revendication 9, dans lequel on dispose ladite préforme (10) dans un moule (24) en laissant un espace vide (15) entre la préforme (10) et une paroi (25) dudit moule, et on coule ledit métal ou alliage fondu dans ledit moule (24), de manière à réaliser une pièce (20) de métal ou d'alliage avec une zone en mousse (20a) à la place de ladite préforme et une zone pleine (20b) à la place dudit espace vide. 11. Procédé de fabrication selon la revendication 9 ou 10, dans lequel ledit métal ou alliage fondu est coulé à la pression atmosphérique. 12. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 9 à 11, dans lequel ledit métal ou alliage, est de l'aluminium ou un alliage d'aluminium.20