Brevet FR3059577A1 — publié le 20180608

PROCEDE DE FABRICATION D'UN ELEMENT MOULANT POUR UN MOULE DESTINE A UNE FONDERIE SOUS-PRESSION DE PIECES [0001] La présente invention concerne un procédé de fabrication d'un élément moulant faisant partie d'un moule destiné à une fonderie sous-pression de pièces, l'élément moulant étant fabriqué au moins partiellement par fusion avec rayon laser d'une poudre. [0002] La présente invention trouve une application préférentielle mais non limitative en fonderie sous-pression de pièces en aluminium avec des éléments moulants métalliques comportant des systèmes de refroidissement de forme complexe. Les pièces en aluminium peuvent être des carters cylindres de moteur de véhicule automobile. [0003] Actuellement, les éléments moulants sont usinés par enlèvement de copeaux. Ces éléments moulants sont, par la suite, intégrés dans les moules et montés sur machine à mouler de la fonderie sous-pression. [0004] Un moule peut comprendre une partie mobile et une partie fixe. La partie fixe est équipée de la douille d'injection et des parties moulantes d'une face de la pièce à mouler, par exemple la face palier d'un carter cylindres qui sera ci-après pris comme exemple non limitatif de pièce à mouler. [0005] La partie mobile est équipée des parties moulantes de la face culasse où sont disposés les fûts recevant les chemises et des autres faces de la pièce du carter cylindres sur noyaux mobiles, droit, gauche, supérieur et inférieur, correspondant respectivement aux faces distribution, embrayage, admission et échappement du carter cylindres. [0006] Aujourd'hui, dans ces outillages de fonderie, sont intégrés des éléments moulants appelés broches ou poignards. Ces éléments moulants sont en acier, par exemple selon la nuance XC38CrMoV5.2 et sont équipés de circuits de refroidissement et de thermorégulation obtenus par des perçages conventionnels. [0007] Lors du moulage des carters cylindres, les surfaces des empreintes en contact avec l'alliage liquide sont refroidies en partie, aux environs de 60% par l'application d'une pulvérisation composée à 98% d'eau, appelée poteyage. L'équilibre thermique du moule est assuré lors d'un cycle de mise en régime thermique, puis par un maintien de cycle de fabrication avec un pas de temps défini. [0008] Avant le moulage de la pièce, le moule subit donc un poteyage qui a pour but de mieux régler la carte thermique du moule donc du refroidissement et de la solidification 3059577 2 des pièces. Ce poteyage sert aussi à évacuer plus rapidement l'énergie thermique et à protéger les empreintes de l'attaque et de l'érosion du métal. Enfin, ce poteyage permet de faciliter le démoulage, en évitant les arrachements dans les zones à faibles dépouilles et d'améliorer l'état de surface des pièces. 5 [0009] Ce mode de fabrication ne permet cependant pas d'avoir un refroidissement optimisé dans toute la surface de la pièce et il est techniquement impossible, avec les moyens existants actuellement, de réaliser un système de refroidissement plus complexe. [0010] Ainsi, dans certaines zones d'éléments moulants, il existe des points de surchauffe, engendrant des phénomènes de caléfaction, par vaporisation de l'eau de 10 refroidissement et un retour cyclique en phase liquide. Ceci entraîne une fatigue thermique dans la zone donnant une fissuration et une casse prématurée de l'élément moulant. [0011] Le bilan thermique qui traduit un équilibre entre les flux de chaleur entrants et les flux de chaleur sortants est un élément d'ordre un sur la qualité des pièces et la durée de vie des outillages. Aussi, obtenir un bilan thermique optimisé dans un temps le plus court 15 possible tout en réduisant les forts gradients thermiques locaux, permet d'une part d'augmenter les cadences de fabrication d'où une réduction du prix de fabrication et, d'autre part, de préserver voire d'augmenter la durée de vie des moules. [0012] Il est aussi possible de remplacer le poteyage composé d'une base d'eau et d'un produit de poteyage dilué à environ 1% par un poteyage avec des micro-pulvérisations et 20 composé d'une base huile. Cependant, ceci exige d'améliorer les systèmes de refroidissement des éléments moulants afin de mieux évacuer les calories et ainsi d'éviter le collage des pièces moulées sur les moules. [0013] La fusion par rayon laser d'une poudre, avantageusement une poudre d'acier, sur une surface de base pour la fabrication d'un élément moulant s'est généralisée 25 dernièrement. [0014] Cette nouvelle technique permet de réaliser des circuits de refroidissement complexes et de petites dimensions, ce qui actuellement ne peut être réalisé en usinage. Ainsi, un tel système de refroidissement permettra d'optimiser le refroidissement des pièces et d'éviter la fissuration interne de celles-ci aux moules. 30 [0015] Le mode de fabrication des éléments moulants est différent de celui réalisé classiquement pour des éléments moulants usinés, puisque dans le cas de la fusion par rayon laser, il est utilisé une poudre, avantageusement à base d'acier. Ainsi, les circuits de 3059577 3 refroidissement des éléments moulants ont une conception différente de celle des éléments moulants classiques. [0016] La fabrication par fusion par rayon laser permet de fabriquer différents éléments moulants composés de systèmes de refroidissement avec des formes complexes et de 5 petites dimensions. Il est aussi permis de réaliser la partie utile sur une base usinée en obtenant un élément moulant hybride, dont le temps de fabrication est réduit. [0017] Le principe est de réaliser des systèmes de refroidissement composés d'une structure différente de celle de l'état de la technique précédemment obtenue par usinage. Effectivement, avec cette technique laser, les systèmes de refroidissement sont des 10 passages et non plus des canaux. [0018] Aujourd'hui, il est possible de réaliser des circuits par fusion laser afin d'améliorer l'efficacité du refroidissement. Cette solution trouve néanmoins vite des limites car leur efficience va dépendre de la section du circuit, relativement faible, et de la possibilité de les positionner au plus près de l'empreinte. Ces solutions peuvent comporter les mêmes 15 risques que les solutions par usinage, par exemple, les problèmes de caléfaction actuellement par fusion par rayon laser par vaporisation de l'eau de refroidissement et un retour cyclique en phase liquide. [0019] Le document US-A-5 849 238 décrit un procédé de conception et de fabrication de moules ou outillages de moule comportant des canaux de refroidissement hélicoïdaux. 20 Ce document cherche à optimiser le refroidissement des pièces utilisées pour les opérations de moulage qui peuvent concerner des pièces métalliques ou plastiques. [0020] Ce document propose essentiellement un procédé de conception numérique de la structure de refroidissement interne notamment, en vue d'obtenir un circuit permettant un refroidissement optimal de la pièce de moulage. Il y est toutefois évoqué des procédés 25 envisagés pour réalisation de la pièce numérique obtenue, ces procédés étant essentiellement des procédés d'impressions tridimensionnelles telles que du frittage sélectif au laser. La seule forme de circuit de refroidissement évoquée dans ce document est une structure sensiblement hélicoïdale. [0021] Si ce document propose d'utiliser la technique de fabrication par fusion par rayon 30 laser, il ne réalise que des éléments moulants comportant des circuits ou des structures de refroidissement optimisés qui sont sensiblement similaires aux canaux de refroidissement classiques dans des éléments moulants. Il en résulte que les mêmes difficultés que celles précédemment mentionnées demeurent. 3059577 4 [0022] Par conséquent, le problème à la base de l'invention est d'obtenir, pour un élément moulant faisant partie d'un moule de fonderie, un refroidissement amélioré et mieux réparti que celui obtenu par des éléments moulants à canaux de l'état de la technique en optimisant un procédé de fabrication par fusion d'une poudre par rayon laser. 5 [0023] Pour atteindre cet objectif, il est prévu selon l'invention un procédé de fabrication d'un élément moulant formant au moins une partie d'un moule destiné à une fonderie sous-pression de pièces, l'élément moulant comprenant un système de refroidissement incorporé en son intérieur et une surface de base, le procédé comprenant une étape de dépôt de poudre formant au moins une couche par adhérence de la poudre sur la surface 10 de base par fusion avec rayon laser, caractérisé en ce que le dépôt se fait selon une structure alvéolaire aléatoire et ladite au moins une couche présente des passages disposés de manière aléatoire, les passages formant une partie du système de refroidissement. [0024] Grâce à la simulation numérique, il est possible d'explorer plusieurs voies 15 d'optimisation des moyens actuels en travaillant sur les géométries de passages de fluide de refroidissement et sur les propriétés des matériaux en s'appuyant sur le procédé se développant qu'est la fusion de poudre par rayon laser permettant d'élaborer des éléments de moulage à partir d'éléments chimiques de base et avec une grande liberté de formes géométriques creuses complexes. 20 [0025] L'utilisation de structures alvéolaires permet d'améliorer l'efficience du refroidissement en ouvrant la possibilité d'utiliser une gamme plus étendue de fluides de refroidissement mais aussi de matériaux à changement de phase très énergivore lors des phases de transformation. [0026] En complément de l'utilisation de fluide de refroidissement tel que l'eau, il est 25 envisagé d'utiliser des matériaux à fortes diffusivités et/ou à changement de phase afin d'améliorer l'évacuation des calories. Ces matériaux à changement de phase consistent à utiliser des matériaux à bas point de fusion comme accumulateur d'énergie basé sur le principe de transformation du matériau via sa chaleur latente. [0027] Avantageusement, ladite au moins une couche forme une mousse. Une mousse 30 est une structure alvéolaire qui reprend des caractéristiques développées dans la nature connues pour être optimales en ce qui concerne son humidification et la répartition de l'humidification en son intérieur. [0028] Avantageusement, ladite au moins une couche forme un treillis de mailles irrégulières. 3059577 5 [0029] Avantageusement, les passages sont de grosseurs différentes. [0030] Avantageusement, les passages présentent des orientations différentes. [0031] Avantageusement, ladite au moins une couche présente une porosité entre 10 et 90%. 5 [0032] Avantageusement, la porosité augmente plus l'élément moulant est conçu pour être massif. La porosité comme d'autres caractéristiques de ladite au moins une couche et plus généralement de l'élément moulant, par exemple le nombre de passages et leurs dimensions, peuvent être préalablement adaptées pour servir à la fabrication de la pièce destinée à être moulée. 10 [0033] Avantageusement, une élaboration de la structure alvéolaire se fait à partir d'algorithmes de propagation de formes suivant des lois organiques naturelles. [0034] Avantageusement, la surface de base est usinée. Les machines de fusion de poudre par rayon laser ne sont en effet généralement pas assez dimensionnées pour pouvoir fabriquer entièrement les éléments moulants de grande dimension. 15 [0035] Dans ce contexte, la solution est de fabriquer les éléments moulants de manière hybride. Cela signifie que l'on garde une surface de base réalisée avec les moyens actuels, par exemple par usinage par enlèvement de copeaux. [0036] Ensuite, il est procédé sur la surface usinée au dépôt de la poudre et à l'adhésion de cette poudre à la surface usinée par fusion avec rayon laser. Il est ainsi effectué une 20 limitation des assemblages. L'élément moulant est finalement obtenu grâce à deux techniques de fabrication distinctes. Un autre avantage obtenu est la limitation des durées de fabrication, qui sont actuellement très longues. [0037] L'invention concerne aussi un élément moulant faisant partie d'un moule, caractérisé en ce qu'il est fabriqué conformément à un tel procédé, l'élément moulant 25 comportant au moins une couche présentant une structure alvéolaire aléatoire formant des passages pour un fluide de refroidissement. [0038] Un tel élément moulant peut présenter une durée de vie double d'un élément moulant de l'état de la technique tout en ne nécessitant qu'une augmentation de prix raisonnable par rapport à l'élément moulant de l'état de la technique. 30 [0039] Avantageusement, l'élément moulant est une broche, un poignard, une dentelle ou un noyau. 3059577 6 [0040] D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre et au regard des dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs et sur lesquels : - la figure 1 est une représentation schématique d'un élément moulant 5 comprenant des canaux de refroidissement internes conformément à un premier état de la technique avec formation de l'élément moulant par usinage, - la figure 2 est une représentation schématique d'un élément moulant obtenu par fusion d'une poudre par rayon laser avec des passages de fluide de refroidissement conformément à la présente invention, 10 - la figure 3 est une représentation schématique d'une structure alvéolaire aléatoire sans motif de base formant au moins une couche présentant des passages disposés de manière aléatoire, les passages formant une partie du système de refroidissement d'un élément moulant selon la présente invention. [0041] Il est à garder à l'esprit que les figures sont données à titre d'exemples et ne sont 15 pas limitatives de l'invention. Elles constituent des représentations schématiques de principe destinées à faciliter la compréhension de l'invention et ne sont pas nécessairement à l'échelle des applications pratiques. En particulier, les dimensions des différents éléments illustrés ne sont pas représentatives de la réalité. [0042] Dans ce qui va suivre, il est fait référence à toutes les figures prises en 20 combinaison. Quand il est fait référence à une ou des figures spécifiques, ces figures sont à prendre en combinaison avec les autres figures pour la reconnaissance des références numériques désignées. [0043] La figure 1 montre un élément moulant 1 obtenu selon un premier état de la technique par usinage de l'élément moulant avec des canaux servant pour le passage 25 d'un fluide de refroidissement. Un tel élément moulant présente les désavantages précédemment mentionnés, à savoir principalement un refroidissement non uniforme. [0044] Un deuxième état de la technique utilise une technologie d'une fusion d'une poudre par rayon laser sur une surface de base. Un tel élément moulant n'a pas donné entière satisfaction en ce qui concerne le refroidissement obtenu, ce refroidissement 30 obtenu n'étant pas suffisamment uniforme et réparti. On retrouve sensiblement des canaux agencés différemment et avec plus de liberté de taille et de positionnement que dans le premier état de la technique mais les désavantages d'un refroidissement non uniforme perdurent. 3059577 7 [0045] La figure 2 montre un élément moulant 1 obtenu selon la présente invention utilisant une technologie d'une fusion d'une poudre par rayon laser sur une surface de base en formant une structure complexe dont un exemple sera donné à la figure 3. L'élément moulant 1 est un poignard à la figure 2 mais ceci n'est pas limitatif. 5 [0046] Le système de refroidissement représenté à la figure 2 est un négatif du système de refroidissement effectivement obtenu du fait que les passages, dont un seul est référencé 2a, sont remplis de poudre fondue, par exemple de l'acier et que le volume restant sert au passage du fluide de refroidissement du système de refroidissement. [0047] La figure 3 montre un mode de réalisation d'une structure alvéolaire aléatoire 3 10 pouvant servir dans un élément moulant selon la présente invention. La forme montrée à cette figure n'est cependant pas limitative. [0048] En se référant aux figures 2 et 3, la présente invention concerne un procédé de fabrication d'un élément moulant 1, avantageusement métallique et de préférence en acier, formant au moins une partie d'un moule destiné à une fonderie sous-pression de 15 pièces avantageusement métalliques, par exemple en aluminium. L'élément moulant 1 comprend un système de refroidissement incorporé en son intérieur et une surface de base. [0049] Comme pour le deuxième état de la technique, le procédé selon l'invention comprend une étape de dépôt de poudre, avantageusement métallique, formant au moins 20 une couche par adhérence de la poudre sur la surface de base par fusion effectuée par rayon laser. [0050] Cependant, la différence est que le dépôt de poudre fondue se fait selon une structure alvéolaire aléatoire 3, avantageusement sans motif de base, c'est-à-dire sans répétition régulière d'un motif de base. Sans motif de base signifie donc qu'il n'y a pas 25 répétition d'un motif sur toute la structure alvéolaire, avantageusement organique. Aléatoire signifie que la structure ne présente pas une forme régulière, par exemple pour le positionnement des alvéoles servant de passages à un fluide de refroidissement. [0051] La ou les couches faites de poudre fondue présentent des passages 2 disposés de manière aléatoire, les passages 2 formant une partie du système de refroidissement. A 30 la figure 3, un seul passage est référencé 2 mais ce qui est énoncé pour ce passage référencé vaut pour tous les passages. [0052] Plusieurs modes de réalisation du système organique alvéolaire 3, avantageusement sans motif de base, sont possibles. Par exemple, la ou les couches de 3059577 8 poudre fondue peuvent former une mousse ou un treillis de mailles irrégulières. Ce qui revêt une certaine importance est le caractère non ordonné ou aléatoire du système alvéolaire 3 avantageusement semblable à des systèmes existant dans la nature comme pour la mousse ou les racines. 5 [0053] Il s'ensuit que la présente invention n'est pas ciblée sur la réalisation de canaux de forme complexe, par exemple des canaux hélicoïdaux comme l'était le deuxième état de la technique mais bien sur la réalisation de structures de refroidissement internes complexes du type alvéolaire. Un ou des canaux ne sont pas forcément réalisés mais remplacés par un réseau de passages 2 à travers une structure alvéolaire dans lesquels 10 peuvent circuler tout type de fluide. [0054] Les structures alvéolaires peuvent être partiellement réglées mais au moins partiellement aléatoires et sont générées par conception de type organique ou en treillis. Dans ce dernier cas, les mailles sont au moins partiellement irrégulières pour ne pas former un motif se répétant. 15 [0055] La création de ces structures alvéolaires peut se faire à partir d'algorithmes de propagation des formes de la matière suivant des lois organiques, par exemple des structures des racines ou de formes végétales qui cherchent à optimiser le rapport surface volume et donc la masse en milieu hostile pour capter notamment la lumière ou l'oxygène. Par exemple, les passages 2 peuvent être de grosseurs différentes et/ou présenter des 20 orientations différentes. [0056] Ces structures alvéolaires peuvent avoir partiellement des formes géométriques réglées répétables par exemple en nids d'abeille, des formes hexagonales, prismatiques, cylindriques ou sphériques tout en ayant une portion de forme aléatoire. La portion de forme aléatoire est avantageusement majoritaire. 25 [0057] La ou les couches peuvent présenter une porosité entre 10 et 90% quel que soit le type de structure. Le taux de porosité peut dépendre de plusieurs facteurs dont la résistance mécanique et thermomécanique de l'élément moulant 1, pris en entier ou en tant qu'élément rapporté, la résistance au choc, la résistance à la traction, la résistance à la compression, etc. Il peut aussi être possible de moduler l'efficience du refroidissement 30 sur la forme et la qualité de l'élément moulant et de la pièce moulée destinée à être fabriquée. [0058] Par exemple, le niveau de porosité de la ou des couches peut varier suivant son application. Par exemple, pour un élément moulant 1 d'une chambre d'eau de carter cylindre la porosité peut être évaluée entre 30 % et 70%. Pour un élément plus massif, 3059577 9 comme un noyau et moins contraint en pression, la porosité peut varier de 50 à 80%. Pour une broche ou un poignard, cette porosité évoluera entre 10 et 50 `Vo. La porosité peut aussi augmenter plus la pièce destinée à être moulée est massive. [0059] Il convient de garder à l'esprit que la ou les couches de poudre fondue, de par le 5 caractère aléatoire de distributions de passages 2, ne présentent pas une porosité constante comme peuvent l'être les structures de treillis à mailles régulières. Une structure organique présente une hétérogénéité de porosité car ce n'est pas une donnée d'entrée mais bien un résultat obtenu à partir de contraintes telles que la résistance, la masse et l'efficacité thermique. 10 [0060] La surface de base peut être usinée. On obtient ainsi un élément moulant 1 qui est un élément hybride. [0061] L'invention concerne aussi un élément moulant 1 faisant partie d'un moule. Cet élément moulant est fabriqué conformément à un procédé tel que précédemment décrit, l'élément moulant 1 comportant au moins une couche présentant une structure alvéolaire 15 aléatoire 3 formant des passages 2 pour un fluide de refroidissement. [0062] Avantageusement, l'élément moulant 1 est une broche, un poignard, une dentelle ou un noyau. Il est possible de prévoir divers éléments moulants faisant partie d'un moule tous dotés d'un système de refroidissement obtenu par fusion par rayon laser d'une poudre avec une répartition aléatoire des passages 2 ou correspondant à un algorithme 20 traduisant une structure extrapolée d'une structure existante dans la nature. [0063] Un gain en durée de vie de l'outillage est obtenu. Par exemple, pour un poignard de l'état de la technique qui a actuellement une durée de vie de 70.000 injections, il semble possible de doubler cette durée de vie soit 140.000 injections, alors que la fabrication en série d'un poignard selon la présente invention ne coûterait pas beaucoup 25 plus cher qu'un poignard de l'état de la technique. [0064] L'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et illustrés qui REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'un élément moulant (1) formant au moins une partie d'un moule destiné à une fonderie sous-pression de pièces, l'élément moulant (1) comprenant un système de refroidissement incorporé en son intérieur et une surface de base, le procédé comprenant une étape de dépôt de poudre formant au moins une couche par adhérence de la poudre sur la surface de base par fusion avec rayon laser, caractérisé en ce que le dépôt se fait selon une structure alvéolaire aléatoire (3) et ladite au moins une couche présente des passages (2) disposés de manière aléatoire, les passages (2) formant une partie du système de refroidissement. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel ladite au moins une couche forme une mousse. 3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel ladite au moins une couche forme un treillis de mailles irrégulières. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les passages (2) sont de grosseurs différentes. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les passages (2) présentent des orientations différentes. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ladite au moins une couche présente une porosité entre 10 et 90%. 7. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel la porosité augmente plus l'élément moulant est conçu pour être massif. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la surface de base est usinée. 9. Elément moulant faisant partie d'un moule, caractérisé en ce qu'il est fabriqué conformément à un procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, l'élément moulant (1) comportant au moins une couche présentant une structure alvéolaire aléatoire (3) formant des passages (2) pour un fluide de refroidissement. 10. Elément moulant selon la revendication précédente, lequel est une broche, un poignard, une dentelle ou un noyau.30