Brevet FR2949694A1 — publié le 20110311

PISTON D'INJECTION POUR LE MOULAGE SOUS PRESSION ET PROCEDE DE MOULAGE [0001 La présente invention concerne un piston d'injection pour le moulage sous pression d'un matériau. L'invention concerne en outre un procédé de moulage sous pression d'un matériau à l'aide du piston d'injection. [0002] Lors du moulage sous pression d'un matériau, on utilise un piston pour introduire le matériau d'une douille d'injection dans l'empreinte d'un moule. Le piston est alors en contact par la tête du piston avec le matériau à l'état liquide et à une température élevée. Le piston est aussi soumis à de fortes variations de température et à un frottement dans la douille d'injection du matériau. La durée de vie d'un tel piston est alors limitée par ces contraintes et engendre des coûts importants, notamment la mise à l'arrêt fréquente de la production en série de pièces moulées sous pression pour le remplacement du piston d'injection. [0003] Le document FR-A-2 631 862 propose un piston d'injection pour le moulage revêtu d'un bouclier thermique, avec un faible coefficient de conductibilité thermique, sur la paroi frontale du piston. Le but du document est alors de réaliser un joint étanche entre le piston et la paroi de la chambre d'injection tout en écartant la possibilité d'un refroidissement excessif de la partie frontale du piston. Cette solution n'apparaît pas entièrement satisfaisante et ne permet pas un temps de cycle de moulage court. [0004 Il existe donc un besoin pour un piston d'injection qui, soumis à de fortes températures et avec de fortes variations avec un temps de cycle court, a une durée de vie plus importante. [0005] Pour cela, l'invention propose un piston d'injection pour le moulage sous pression, caractérisé en ce que le piston comporte un corps de piston et une tête d'injection de matériau, au moins une partie de la tête étant en alliage réfractaire à la chaleur dont le coefficient de dilatation thermique inférieur à 6*10-6 K-1 et/ou un coefficient de conductivité thermique supérieur à 50 W/m.K. [0006] Dans une variante, le piston comporte un insert fixé au corps du piston, l'insert formant tête d'injection du piston. [0007] Dans une variante, le corps du piston comprend un acier de travail à chaud dont le coefficient de conductivité thermique de l'ordre de 25W /m.K et/ou dont le coefficient de dilatation thermique entre 8*10-6 K-1 et 10*10-6 K-1. [000s] Dans une variante, l'alliage réfractaire a une dilatation thermique inférieure à celle de l'acier, de préférence cinq fois inférieure à celle de l'acier, et une conductivité thermique supérieure à celle de l'acier, de préférence de trois à cinq fois supérieure à celle de l'acier. [000s] Dans une variante, l'alliage réfractaire est un alliage à base nickel, tungstène ou molybdène. [0010] Dans une variante, le piston comporte en outre une bague en alliage de cuivre autour du corps de piston. [0011] L'invention a également pour objet un procédé de moulage sous pression d'un matériau caractérisé en ce que l'injection du matériau est effectuée à l'aide du piston d'injection tel que défini ci-dessus. De préférence, le matériau injecté est un alliage d'aluminium, l'injection étant alors de préférence effectuée à une température comprise entre 650°C et 680°C. [0012] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit des modes de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemple uniquement et en références aux dessins qui montrent : • figure 1, une machine de moulage en fonderie sous pression ; figure 2, un carter de moteur obtenu par un moulage à l'aide de la machine de moulage en fonderie sous pression ; • figure 3, une vue de face d'un piston d'injection pour le moulage sous pression d'un matériau ; • figure 4, une vue en coupe du piston d'injection de la figure 3 ; • figure 5, une vue en coupe d'un piston d'injection comportant un insert ; • figure 6, un schéma de piston d'injection muni d'une bague. [0013] L'invention se rapporte à un piston d'injection pour le moulage sous pression. Ce piston comporte un corps de piston et une tête d'injection d'un alliage métallique De plus au moins une partie de la tête est en alliage réfractaire à la chaleur [0014] En fonderie sous pression le matériau pour le moulage est dans une douille avant son introduction dans l'empreinte du moule 96 représenté figure 1. L'empreinte du moule 96 est constituée d'une partie mobile 92 et d'une partie fixe. La mobilité de cette partie 92 permet d'extraire la pièce après la solidification ainsi la production en série de pièces moulées. On utilise alors pour le moulage sous pression un piston d'injection 10 mis au contact du matériau 30 pour l'introduire dans l'empreinte du moule 96. Le piston 10 se déplace alors à l'intérieur de la douille d'injection pour injecter le matériau dans l'empreinte de moule 96. La douille d'injection est dans une partie fixe 94 de la machine 90. Le matériau de moulage 30 dans la douille d'injection est liquide, donc au dessus de sa température de fusion, lorsque le matériau 30 est au contact du piston d'injection 10. [0015] Or les températures du matériau avant moulage peuvent être importantes, par exemple dans le cas d'un alliage d'aluminium la température peut être de 650°C à 680°C au contact avec la tête d'injection de piston. De plus la cadence de la production en série de pièces moulées impose un refroidissement rapide du matériau 30 juste après l'injection entraînant de rapides et fortes variations de la température du matériau 30. [0016] Ainsi le piston 10, particulièrement la tête d'injection de piston, sont soumis à de fortes températures et de fortes variations de température. [0017] L'alliage réfractaire a une bonne tenue mécanique à haute température, par exemple des températures entre 600°C et 700°C. L'utilisation d'un tel piston 10 permet alors de réduire la perte de résistance mécanique du piston 10 due à ces fortes températures et fortes variations de température. [ools] L'alliage réfractaire à la chaleur a un faible coefficient de dilatation thermique, les fortes températures n'entraînent alors qu'une dilatation limitée du piston d'injection 10 dans la douille. En effet la tête d'injection de piston, ainsi que le reste du piston 10, ont tendance à se déformer en fonction du coefficient de dilatation thermique de la matière composant le piston 10. Le piston 10 et/ou la tête d'injection de piston peuvent alors ne plus être parfaitement cylindriques. La limitation de la dilatation du piston 10 est avantageuse en ce qu'elle permet de réduire les frottements entre le piston 10 et la douille lors de l'injection de matériau pour le moulage. En effet de tels frottements peuvent provoquer une usure localisée sur le piston 10. La réduction des frottements du piston 10 évite alors une ruine prématurée du piston 10 et assure une durée de vie plus importante au piston 10 ainsi qu'à l'ensemble de la machine de moulage 90. Cette durée de vie plus importante réduit par ailleurs les coûts de production de pièces moulées à l'aide d'un tel piston 10. [0019] Le coefficient de dilatation thermique d'un matériau réfractaire peut par exemple être inférieur à 6*10-6 K-1, de préférence entre 4*10-6 K-1 et 6*10-6 K-1. [0020] En outre les alliages réfractaires à la chaleur ont un bon coefficient de conductivité thermique. L'utilisation d'un piston d'injection 10 comportant un alliage réfractaire entraîne alors un refroidissement rapide du matériau injecté. Le matériau restant dans la douille au contact du piston 10, la pastille 40 représentée figure 2, se solidifie alors plus vite. La réduction du temps de solidification permet de gagner du temps sur la production de la pièce moulée 80, i.e. une réduction du temps de cycle de la production en série. [0021] Enfin un refroidissement rapide de la pastille 40 permet également de réduire le nombre des éclatements du canal primaire de coulée contenant la matière 42 et qui relie la douille à l'empreinte de moule 96. Ainsi si le canal primaire de coulée reste trop chaud, cela peut provoquer de nombreux arrêts de production. [0022] Le coefficient de conductivité thermique d'un matériau réfractaire peut par exemple être supérieur à 50 W/m.K, de préférence entre 50 W/m.K et 150W/m.K. [0023] L'alliage réfractaire a une bonne tenue mécanique à haute température, par 30 exemple des températures entre 600°C et 700°C. La résistance à la rupture de l'alliage réfractaire peut alors être de l'ordre de 500 à 600MPa. L'utilisation d'un tel alliage réfractaire permet de maintenir la résistance mécanique du piston 10 tout en améliorant la conductivité thermique et diminuant la dilatation thermique. [0024] Le piston comportant un alliage réfractaire à la chaleur permet in fine d'augmenter la durée de vie de l'installation de moulage et de réduire les coûts de production de pièces moulées. [0025] La figure 3 montre une vue de face d'un piston d'injection 10 pour le moulage sous pression de matériau. On voit la tête d'injection de piston 16 destinée à venir en contact du matériau 30 à injecter dans l'empreinte du moule 96. La figure 4 montre une vue de côté du piston d'injection 10 de la figure 3. [0026] En référence à la figure 5, le piston 10 peut en outre comporter un insert 12. L'insert 12 est fixé au corps du piston 14. L'insert peut former une partie de la tête ou former l'intégralité de la tête du piston 16. L'insert 12 comporte l'alliage réfractaire à la chaleur. On peut par ailleurs réaliser l'insert 12 totalement en alliage réfractaire à la chaleur conformément à la figure 5. L'ajout au piston 10 de l'alliage réfractaire peut alors se faire simplement et économiquement par la réalisation d'un insert 12 que l'on vient fixer au reste du piston 10. [0027] II est bien entendu possible de réaliser le piston 10 entièrement en alliage réfractaire à la chaleur. Ceci facilite la fabrication du piston. [0028] Le corps de piston 14 peut cependant comprendre un acier de travail à chaud. Les aciers de travail à chaud peuvent avoir un coefficient de conductivité thermique de l'ordre de 25 W/m.K-1, un coefficient de dilatation thermique supérieur à 8*10-6K-' typiquement de l'ordre de 9*10-6K-1. La réalisation d'un corps de piston 14 en acier de travail à chaud permet de limiter la consommation d'alliage réfractaire à la chaleur pour la réalisation du piston 10. En effet les alliages réfractaires à la chaleur peuvent être plus coûteux à la fourniture que l'acier de travail à chaud. [0029] II est préféré que l'alliage réfractaire ait une dilatation thermique inférieure à celle de l'acier. Le coefficient de dilatation thermique de l'alliage réfractaire est alors plus faible que celui de l'acier de travail à chaud. La déformation du piston 10, ou de la tête d'injection de piston 16 est donc limitée par rapport à la déformation du corps de piston 14 réalisée en acier de travail à chaud avec un coefficient de dilatation thermique supérieur à celui de l'alliage réfractaire. [0030] La tête d'injection de piston 14 possède des dimensions très proches de celle de la douille pour éviter l'infiltration de matériau à injecter entre le piston 10 et la douille. De légères variations des dimensions de la tête d'injection de piston par dilatation entraînent alors un frottement de la tête d'injection de piston 16 contre la douille d'injection. La limitation de la dilatation du piston 10 est donc particulièrement utile au niveau de la tête d'injection de piston 16. La limitation uniquement de la déformation de la tête du piston 16 permet d'éviter les frottements de la tête d'injection de piston 16 avec la douille d'injection tout en limitant les coûts de fabrication du corps de piston 14 en acier, qui est un matériau plus courant. [0031] La forme du bout de la tête de piston 16 peut aussi être rendue plus fine pour limiter les efforts mécaniques dus aux variations d'épaisseur. En effet la tête de piston 16 se dilate sous l'effet des hautes températures. D'importantes variations d'épaisseur de la tête de piston 16 peuvent entraîner l'apparition d'efforts mécaniques au niveau des variations d'épaisseurs. On peut alors prévoir que la face interne 22 de la tête de piston 16 soit creusée pour affiner la forme du bout de la tête de piston 16, c'est-à-dire limiter la variation de l'épaisseur d'alliage réfractaire. [0032] On peut aussi réaliser la tête d'injection du piston 16 avec des jeux de fonctionnements différents, c'est-à-dire plus faibles. [0033] De préférence la dilatation thermique de l'alliage réfractaire est cinq fois inférieure à celle de l'acier. Ce rapport entre les dilatations thermiques de l'alliage réfractaire et celle de l'acier du corps de piston 14 permet de limiter les coûts de production du piston 10 avec l'alliage réfractaire tout en assurant une dilatation thermique suffisante. [0034] L'alliage réfractaire présente une conductivité thermique supérieure à celle de l'acier. La partie de piston 10 en alliage réfractaire permet alors une meilleure évacuation de la chaleur que le corps de piston 14. Cette meilleure évacuation de la chaleur, notamment de la chaleur du matériau qui reste dans la douille d'injection après l'injection du matériau dans l'empreinte de moule, permet une solidification plus rapide de ce matériau 30 en une pastille 40. Cette meilleure évacuation de la chaleur permet aussi une solidification plus rapide du matériau restant dans le canal de coulée 42. Le corps de piston 14 n'est pas directement au contact avec le matériau à mouler, ainsi il joue un rôle secondaire dans l'évacuation de la chaleur. On réalise alors le reste du corps de piston 14 en acier pour des question d'économie, l'alliage réfractaire étant plus cher que l'acier. [0035] De préférence l'alliage réfractaire a une conductivité thermique de trois à cinq fois supérieure à celle de l'acier. Une telle conductivité thermique permet une évacuation de la chaleur suffisante tout en limitant le recours à des matériaux réfractaires beaucoup plus performants et plus coûteux. [0036] Particulièrement l'alliage réfractaire peut être un alliage à base nickel, tungstène ou molybdène. Les alliages à base tungstène et molybdène ont ainsi une faible dilatation thermique et une conductivité thermique excellente. Les alliages à base nickel ont une dilatation thermique moyenne et une conductivité thermique moyenne. [0037] En référence à la figure 6, le piston 10 peut comprendre une bague en alliage de cuivre 18. Cette bague en alliage de cuivre 18 entoure le corps de piston 14 ainsi qu'une partie de la tête d'injection de piston 16. La bague en alliage de cuivre 18 possède un diamètre extérieur supérieur au diamètre extérieur de la tête de piston 14. La bague en cuivre 18 permet de réaliser la surface en regard de douille d'injection contenant le piston 10. La bague de cuivre 18 est alors la partie du piston 10 qui s'use le plus rapidement par frottement au cours du procédé de moulage. La réalisation de la partie du piston 10 s'usant le plus par frottement en une pièce distincte du reste du piston 10 autorise le remplacement de la bague 18 indépendamment du reste du piston qui peut ainsi avoir une durée de vie plus longue. Selon la figure 6, le piston 10 peut comporter un embout 20 sur lequel est disposé le corps de piston 14. La disposition du corps de piston 14 sur un embout 20 permet un remplacement rapide du corps de piston 14 usagé par la production en série de pièces moulées 80. L'embout 20 peut être réalisé en acier de travail à chaud. [0038] Le piston 10 peut alors comporter une bague en cuivre 18 en plus de l'embout 20. La bague en cuivre 18 possède un diamètre extérieur supérieur à celui de la tête de piston 16 et à celui de l'embout 20. L'utilisation d'un embout 20 avec une bague en cuivre 18 permet de remplacer rapidement la bague en cuivre 18 usée par frottement par simple translation du corps de piston 14 par rapport à l'embout 20. [0039] L'invention se rapporte aussi à un procédé de moulage sous pression d'un matériau 30. Ce procédé de moulage se fait alors à l'aide du piston d'injection 10 précédemment décrit. Le procédé de moulage permet une réduction des temps de solidification de la pastille 40 et des temps d'arrêts pour changement du piston 10. Le procédé de moulage utilisant le piston 10 pour l'injection d'un matériau 30 entraîne un gain de productivité du moulage de pièces 80. [0040] Particulièrement le procédé de moulage sous pression avec un tel piston 10 permet alors l'injection d'un alliage d'aluminium en une pièce 80. Le procédé de moulage peut aussi permettre l'injection d'un alliage de zinc ou de magnésium en une pièce 80. [0041] Plus particulièrement le procédé de moulage sous pression autorise la réalisation de pièces massives, par exemple dans le domaine de l'automobile, comme des carters de moteur. L'utilisation de ce procédé de moulage sous pression permettant le moulage d'alliage d'aluminium est alors particulièrement utile dans le domaine de l'automobile qui utilise les alliages d'aluminium pour leur légèreté et leur résistance mécanique. [0042] Le procédé de moulage sous pression utilisant le piston d'injection 10 autorise le moulage de matériau à des températures élevées. Par exemple les alliages d'aluminium peuvent avoir une température d'injection pour le moulage relativement élevée, par exemple entre 650°C et 680°C. Le procédé de moulage sous pression avec le piston 10 permet alors l'injection à ces températures tout en assurant une bonne durée de vie du piston d'injection 10 et donc une bonne productivité du procédé de moulage. REVENDICATIONS1. Piston d'injection pour le moulage sous pression, caractérisé en ce que le piston (10) comporte un corps de piston (14) et une tête d'injection (16) de matériau, au moins une partie de la tête (16) étant en alliage réfractaire à la chaleur dont le coefficient de dilatation thermique inférieur à 6*10-6 K-' et/ou un coefficient de conductivité thermique supérieur à 50 W/m.K. 2. Piston d'injection selon la revendication 1, caractérisé en ce que le piston (10) comporte un insert (12) fixé au corps du piston (14), l'insert (12) formant tête d'injection (16) du piston (10). 3. Piston d'injection selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que le corps de piston (14) comprend un acier de travail à chaud dont le coefficient de conductivité thermique de l'ordre de 25W /m.K et/ou dont le coefficient de dilatation thermique entre 8*10-6 K-' et 10*10-6 K-1. 4. Piston d'injection selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'alliage réfractaire a une dilatation thermique inférieure à celle de l'acier et une conductivité thermique supérieure à celle de l'acier. 5. Piston d'injection selon l'une des revendications 3 à 4, caractérisé en ce que l'alliage réfractaire a une dilatation thermique cinq fois inférieure à celle de l'acier. 6. Piston d'injection selon l'une des revendications 4 à 5, caractérisé en ce que l'alliage réfractaire a une conductivité thermique de trois à cinq fois supérieure à celle de l'acier. 7. Piston d'injection selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le matériau réfractaire est un alliage à base nickel, tungstène ou molybdène. 8. Piston d'injection selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le piston (10) comporte en outre une bague (18) en alliage de cuivre autour du corps de piston (14). 9. Procédé de moulage sous pression d'un matériau caractérisé en ce que l'injection du matériau est effectuée à l'aide du piston d'injection (10) selon l'une des revendications 1 à 8. 10. Procédé de moulage selon la revendication 9, caractérisé en ce que le matériau 5 injecté est un alliage d'aluminium.