Brevet FR2966066A1 — publié le 20120420

Procédé de moulage en modèle perdu [000l] L'invention concerne un procédé de moulage en modèle perdu. Le principe de moulage utilisant un modèle perdu est bien adapté à la réalisation de pièces complexes, notamment celles mettant en oeuvre un modèle sans possibilité de démoulage. Plus précisément, le modèle est réalisé en matière fusible ou sublimable. Il peut être réalisé par assemblage de plusieurs parties donnant la forme de la ou des pièces à réaliser ainsi que des systèmes de remplissage, d'alimentation et éventuellement de masselotte nécessaires au moulage. Le modèle est par exemple réalisé en cire, en polystyrène ou en urée. Il est courant de réaliser un modèle en grappe permettant ainsi de réaliser plusieurs pièces simultanément. [0002] De façon connue, le modèle est placé dans une cuve que l'on remplit de sable de moulage. Après remplissage de sable, dans le cas d'une matière fusible, le modèle est éliminé par fusion de celui-ci avant coulée du métal formant la pièce à réaliser. Dans le cas d'une matière sublimable le métal en fusion est directement coulé dans le moule et sa température suffit à sublimer le modèle qui s'évacue par les porosités du sable. [0003] Ce procédé de fabrication permet la réalisation de pièces beaucoup plus complexes qu'avec d'autres procédés de moulage comme par exemple le moulage coquille métallique. Toutefois, la lenteur de la solidification ne permet pas d'obtenir une structure du matériau aussi fine que le procédé de moulage coquille gravité. Le taux de porosité atteint est lui aussi nettement plus important. La combinaison des deux amène une forte chute des caractéristiques mécaniques notamment des capacités d'allongement du matériau. En effet, la vitesse de solidification du métal moulé dans le procédé de moulage en modèle perdu est bien plus faible que pour le moulage en coquille. [0004i Pour augmenter la vitesse de solidification, on a placé des refroidisseurs à l'intérieur de la cuve de moulage. Ces refroidisseurs sont par exemple formés d'une masse métallique qui peut par son inertie thermique accumuler de la chaleur lors de la solidification. Ces refroidisseurs doivent à leur tour être refroidis et ce refroidissement se fait après décochage de la pièce. Ce temps de refroidissement augmente le temps mort entre deux cycles de moulage ce qui augmente le coût de réalisation de pièces en série. 1 [000si Le demandeur a ainsi proposé dans la demande de brevet FR1055033, de réaliser une cuve de moulage en modèle perdu, comprenant au moins un refroidisseur formant une paroi de la cuve, une face extérieure dudit refroidisseur comprenant des moyens permettant un échange thermique supérieur à celui obtenu avec des parois de la cuve sans refroidisseur et une face intérieure du refroidisseur étant destinée à venir au contact d'un modèle placé dans la cuve. Avec une telle cuve de moulage, on propose d'augmenter la vitesse de refroidissement sans dégrader le temps de cycle. [0006] La mise en place de refroidisseur permet d'améliorer significativement les caractéristiques mécaniques et de diminuer les porosités dans les zones en contact avec le « refroidisseur » métallique. Le refroidisseur présente néanmoins le défaut de ne pas toujours pouvoir épouser parfaitement les formes à mouler. La conséquence est que la structure, la compacité et les caractéristiques mécaniques associées ne sont pas homogènes sur la face de la pièce en contact avec le refroidisseur. Les zones qui ne sont pas en contact direct avec le refroidisseur présentent des caractéristiques meilleures que le procédé originel mais dégradées par rapport aux zones en contact direct avec le refroidisseur. [0007] La présente invention a donc pour but de pallier ces inconvénients en proposant d'augmenter la vitesse de solidification et de refroidissement des zones de pièces qui ne peuvent pas être en contact avec le refroidisseur. [000si A cet effet, l'invention consiste à introduire localement un matériau capable d'absorber la chaleur entre le refroidisseur et au moins une zone de la face de la pièce à refroidir contre laquelle est le refroidisseur et qui par sa forme ne peut pas être en contact directement avec le refroidisseur. [0009] L'invention concerne donc un procédé de moulage en modèle perdu dans lequel on place dans un container, un ou plusieurs modèles en une matière sublimable, on noie le ou les modèles dans du sable en laissant subsister un orifice de coulée et on verse du métal liquide dans cet orifice, caractérisé en ce qu'on positionne en appui contre une ou plusieurs faces du modèle au moins un élément refroidisseur propre à refroidir la pièce moulée et en ce qu'on introduit un matériau capable d'absorber de la chaleur, dans chaque cavité formée entre ledit refroidisseur et une zone de la face de la pièce à refroidir qui n'est pas en contact direct avec ledit refroidisseur. [oolo] Ainsi, de manière avantageuse, on favorise un refroidissement rapide de la pièce moulée même aux endroits où celle-ci n'est pas en contact directement avec le refroidisseur en créant une interface entre ladite zone et le refroidisseur cette interface permettant d'absorber la chaleur pour l'évacuer vers le refroidisseur. De manière particulièrement avantageuse, on utilise comme matériau absorbant la chaleur, un matériau effusif du type « fluide ». Par « fluide », on entend que le matériau effusif se présente sous une forme solide telle que sous forme de particules, de granulés. [0011] Un tel matériau doit avoir certaines caractéristiques précises en termes de : - caractéristiques mécaniques, notamment de la résistance à l'écrasement pour ne pas s'affaisser sous le poids du métal ou du sable, - de granulométrie qui doit être appropriée pour épouser la forme de pièce souhaitée et obtenir la rugosité de peau de pièce souhaitée, - de caractéristiques thermiques précises (capacité calorifique, conductivité thermique, effusivité, ...) pour obtenir le caractère refroidissant recherché, - de tenue à la température pour éviter sa déformation ou sa liquéfaction à la coulée. [0012] De préférence, on utilise un matériau tel que la grenaille d'acier qui existe en grande quantité sur le marché et à prix abordable et qui permet un refroidissement efficace, qui peut être ensuite séparé du sable de moulage simplement par magnétisme et donc récupéré en vue d'une réutilisation. [0013] D'autre type de grenailles métalliques et matériaux granulaires peuvent également convenir comme par exemple, de la grenaille de cuivre, du carbure de silicium, du corindon, de l'alumine [0014] La température du matériau effusif peut être ajustée (chauffe ou refroidissement) avant introduction entre le modèle et le refroidisseur. Cette technique permet d'ajuster l'impact thermique recherché et d'éviter : - soit des malvenues et des reprises (refroidissement trop rapide) -soit la non atteinte des caractéristiques ou de la structure recherchée (refroidissement trop lent). [0015] Le procédé selon l'invention permet donc de cumuler les avantages des procédés de moulage gravité en coquille métallique et du procédé modèle perdu : à savoir : une structure et des caractéristiques mécaniques élevées équivalentes au procédé de moulage par coquille et la possibilité de réaliser des pièces complexes infaisables en procédé de moulage par coquille et ce, avec un cout de fabrication faible, équivalent au procédé par modèle perdu. [0016] Ainsi, dans le cadre d'un procédé de moulage par modèle perdu, on positionne le modèle en matériau sublimable dans une cuve au contact d'un ou plusieurs refroidisseurs pouvant notamment assurer le maintien du modèle de la pièce à mouler. Les refroidisseurs disposent d'orifices permettant l'écoulement d'un matériau effusif vers les zones de la pièce à refroidir. [oo1n Classiquement, la cuve est remplie de sable et soumise à des vibrations pour tasser le sable. [0018] Le matériau effusif est introduit dans la cavité par écoulement naturel ou par injection lorsque le sable a atteint ou dépassé le même niveau que la cavité à remplir. Pendant ce temps, la cuve est toujours soumise à des vibrations afin de tasser le matériau effusif. [0019] Après coulée, le matériau effusif peut être récupérer par vidange des cavités avant retrait de la pièce. Il peut aussi être évacué avec le sable de moulage puis trié par tamisage, magnétisme, ou autre procédé... [0020] De manière à mettre en oeuvre le procédé selon l'invention, l'ensemble des orifices du modèle sont rendus borgnes par l'ajout de toiles dans le modèle. Puis les stries du refroidisseur, qui servent à l'écoulement du sable entre la pièce et le refroidisseur, sont bouchées localement au niveau de chaque cavité. Le refroidisseur est ensuite percé au niveau desdites cavités pour permettre l'introduction par écoulement du matériau effusif. De ce fait, le matériau effusif peut remplir la cavité entre le refroidisseur et la zone à refroidir tandis que le sable ne peut pas pénétrer dans la cavité entre le refroidisseur et la zone à refroidir et le matériau effusif ne pourra pas s'écouler dans une autre zone que la cavité à remplir. [0021] Le procédé selon l'invention consiste à contrôler et accélérer la solidification et le refroidissement des pièces en aluminium coulées par le procédé modèle perdu. L'intérêt est l'obtention de pièces avec une structure plus fine et avec moins de porosités. Les caractéristiques mécaniques sont nettement améliorées notamment au niveau allongement (A%) du matériau. [0022] L'invention permet notamment de réaliser des produits (culasses) fortement sollicités avec un niveau d'intégration de fonctions élevé. En effet, le procédé selon l'invention offre la capacité de réaliser des produits très complexes de géométrie avec plus de fonctions qu'un moulage coquille classique tout en offrant une amélioration des caractéristiques matériaux du produit par rapport au procédé modèle perdu même avec refroidisseur, d'un même niveau que le procédé coquille. En outre, le procédé offre un coût de réalisation inférieur ou équivalent au moulage coquille gravité, une flexibilité de production d'une ligne de moulage par modèle perdu avec des investissements spécifiques très inférieurs au moulage coquille gravité. Par ailleurs, de manière très avantageuse, les impacts environnementaux d'un procédé selon l'invention sont limités par rapport à ceux du procédé de moulage coquille par gravité. [0023] On décrira maintenant l'invention plus en détails en référence au dessin dans lequel : [0024] la figure 1 représente en coupe une cuve de moulage dont des parois sont formés par des refroidisseurs, la cuve contenant un modèle en grappe ; [0025] la figure 2 représente une vue en perspective d'un modèle pour le PMP selon l'invention et [0026] la figure 3 représente une vue en coupe de la pièce de la figure 2. [0027] La figure 1 représente une cuve de moulage 10 destinée à permettre une opération de moulage en modèle perdu selon l'invention. Sur cette figure, un modèle 11 est présent dans la cuve 10. On distingue notamment le système d'alimentation 12 du modèle 11. La cuve a sensiblement la forme d'un bac parallélépipédique. La fabrication du moule se fait en remplissant la cuve 10 de sable autour du modèle 11. On peut tasser le sable autour du modèle 11 en soumettant la cuve 10 à des vibrations lors du remplissage de sable. [0028] Selon l'invention, au moins une des parois de la cuve 10 est formée par un refroidisseur. Dans l'exemple représenté deux faces opposées sont chacune formées par un refroidisseur, respectivement 13 et 14. [0029] Chaque refroidisseur 13 présente sur sa face extérieure à la cuve 10, des ailettes permettant un refroidissement de la cuve 10 par convection. Plus généralement, les ailettes permettent un échange thermique supérieur à celui obtenu avec des parois de la cuve 10 sans refroidisseur. Le refroidissement peut être obtenu par convection naturelle ou forcée avec l'air ambiant entourant la cuve 10 lors de la solidification du métal destiné à prendre la forme du modèle 11. Il est possible de faire évoluer la convection au cours d'un cycle de moulage afin d'adapter la vitesse de refroidissement du métal coulé dans la cuve 10 pour obtenir une structure métallographique souhaitée ou pour accélérer le temps de cycle de moulage. Une telle cuve de moulage a notamment été décrite dans la demande de brevet FR1055033 appartenant au demandeur. [0030] Le modèle 11 est en appui sur la face intérieure des deux refroidisseurs 13 et 14. Dans l'exemple représenté le modèle 11 comprend les formes 19 et 20 de deux pièces à réaliser. Ces formes 19 et 20 sont reliées par le système d'alimentation 12. Chacune des formes 19 et 20 est en appui sur un des refroidisseurs 13 et 14, permettant ainsi un échange thermique important entre le métal remplissant chaque forme 19 et 20 et le refroidisseur correspondant 13 et 14. [0031] L'invention peut être mise en oeuvre dans la fabrication de culasse en alliage d'aluminium mises en oeuvre dans l'industrie automobile. Ce type de pièce 19, 20 représentée aux figures 2 et 3 comprend une face F plane de grande dimension destinée à venir au contact d'un bloc cylindre par l'intermédiaire d'un joint de culasse. La surface importante des faces planes F des culasses 20 permet un contact important avec les refroidisseurs 13 et 14 et donc une bonne efficacité du refroidissement du métal utilisé pour le moulage lors de sa solidification. [0032] De façon connue, dans le procédé de moulage en modèle perdu, on maintient le modèle 11 en position dans la cuve 10 au moyen d'une pince lors du remplissage de la cuve 10 avec du sable de moulage. Il est possible de se passer de cette pince en assurant le maintien en position du modèle 11 dans la cuve 10 directement par les refroidisseurs 13 et 14. [0033] Le demandeur a également proposé dans la demande de brevet FR1050326, un procédé de moulage en modèle perdu dans lequel on place dans un container, un ou plusieurs modèles en une matière sublimable, on noie le ou les modèles dans du sable en laissant subsister un orifice de coulée et on verse du métal liquide dans cet orifice, le ou lesdits modèles étant mis en place au préalable dans une enceinte présentant au moins un élément propre à refroidir une ou plusieurs faces du modèle, l'ensemble enceinte/modèle(s)étant positionné dans le container sans contact avec ce dernier. Avec un tel procédé et son installation, on peut ainsi appliquer des vibrations pour permettre une bonne répartition du sable introduit dans la cuve, sans que l'ensemble enceinte/modèles ne subisse de vibrations ce qui permet d'éviter notamment d'améliorer la durée de vie des matériels. Le procédé selon l'invention peut également s'appliquer à une telle installation. [0034] Comme on peut le voir sur la figure 3 des zones de la face F de la culasse ne sont pas en contact direct avec la face intérieure plane 15 du refroidisseur 13, 14. [0035] De manière à favoriser malgré tout un refroidissement plus rapide, on introduit dans la cavité 16 formée entre ces zones et le refroidisseur 13, 14 un matériau capable d'absorber la chaleur tel qu'un matériau effusif comme de la grenaille d'acier 17. [0036] Les formes de la pièce à refroidir ici une culasse ont été rendues borgnes par l'ajout de toiles 18 dans le modèle. Les stries du refroidisseur 13, 14, qui servent à l'écoulement du sable entre la pièce et le refroidisseur 13, 14, sont bouchées localement dans cette zone définissant la cavité. Puis, le refroidisseur présente des perçages au niveau des zones 16 à refroidir pour permettre l'écoulement du matériau effusif 17 dedans. [0037] Le matériau effusif 17 est introduit dans la cavité par écoulement naturel ou par injection lorsque le sable a atteint ou dépassé le même niveau que la cavité à remplir. Pendant ce temps, la cuve est toujours soumise à des vibrations afin de tasser également le matériau effusif 17. [0038] On procède ensuite à la coulée. La présence du matériau effusif 17 permet un refroidissement même au niveau des zones qui ne sont pas en contact avec la face intérieure 15 du refroidisseur 13, 14 et offre ainsi une continuité dans le refroidissement de la surface de la pièce ce qui a pour conséquence que la structure, la compacité et les caractéristiques mécaniques associées sont plus homogènes sur l'ensemble de la face de la pièce en contact direct ou indirect avec le refroidisseur 13, 14. [0039] Le matériau effusif 17 peut être récupéré par vidange des cavités 16 avant retrait de la pièce. Il peut aussi être évacué avec le sable de moulage puis trié par tamisage, magnétisme, ou autre procédé... [0040] L'invention n'est bien entendu nullement limitée aux exemples donnés. REVENDICATIONS1. Procédé de moulage en modèle perdu dans lequel on place dans un container ou cuve (10), un ou plusieurs modèles (11) en une matière sublimable, on noie le ou les modèles (11) dans du sable en laissant subsister un orifice de coulée et on verse du métal liquide dans cet orifice, caractérisé en ce qu'on positionne en appui contre une ou plusieurs faces (F) du modèle (11) au moins un élément refroidisseur (13, 14) propre à refroidir la pièce moulée et en ce qu'on introduit un matériau (17) capable d'absorber de la chaleur, dans chaque cavité (16) formée entre ledit refroidisseur (13, 14) et une zone de la face (F) de la pièce à refroidir qui n'est pas en contact direct avec ledit refroidisseur (13, 14). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ensemble des orifices du modèle sont rendus borgnes par l'ajout de toiles dans le modèle, les stries du refroidisseur, qui servent à l'écoulement du sable entre la pièce et le refroidisseur (13, 14), sont bouchées localement au niveau de chaque cavité tandis que le refroidisseur présente des perçages au niveau desdites cavités (16) pour permettre l'introduction par écoulement du matériau (17) capable d'absorber de la chaleur. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le matériau absorbant la chaleur est un matériau effusif (17) du type « fluide », se présentant sous une forme solide telle que sous forme de particules, de granulés. 4. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le matériau effusif (17) est résistant à l'écrasement, de granulométrie appropriée pour épouser la forme de pièce souhaitée et obtenir la rugosité de peau de pièce souhaitée et de capacité calorifique, conductivité thermique et effusivité propres à obtenir le caractère refroidissant recherché, et présentant une tenue à la température pour éviter sa déformation ou sa liquéfaction à la coulée. 5. Procédé selon l'une des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que le matériau effusif (17) est choisi parmi les matériaux tels que la grenaille d'acier, la grenaille de cuivre, du carbure de silicium, du corindon, de l'alumine. 9 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le matériau effusif (17) est introduit dans une cavité (16) par écoulement naturel ou par injection. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que, après coulée, le matériau effusif (17) est récupéré par vidange des cavités (16) avant retrait de la pièce. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que, après coulée, le matériau effusif (17) est évacué avec le sable de moulage puis trié tel que par tamisage, magnétisme.