Processworks / QuikCAST Didacticiel

1. Processworks / QuikCASTDidacticiel Denis AUGUSTE Lycée de Lorgues

2. Partie 1 Le choix des paramètres L'objectif de ce didacticiel est d'aider à la compréhension et au choix des différents paramètres. Le choix du procédé Les pièces de petite et moyenne série sont -à quelques exceptions près- (cire perdue par exemple) toujours moulées "au sable". C'est un procédé souple qui demande peu d'investissements. Les sables (à prise chimique) permettent une précision dimensionnelle souvent suffisante au regard des exigences des clients, les zones demandant plus de précision étant usinées. On retrouve cependant aussi ces procédés en grande série, par exemple, pour le moulage de pièces automobiles ; carters moteurs (en sable à vert), les systèmes de freinage (sable à vert) ou les arbres à came (croning)… Il est possible de couler presque tous les alliages. Le moulage en coquille gravitaire est lui plus utilisé pour des pièces généralement en alliage d'aluminium. Les investissements sont plus conséquents, cela est donc généralement réservé aux séries de plus de 2000 pièces. Le moulage sous pression s'adapte bien aux très grandes séries (en général plus de 20000 unités), pour des pièces en alliage d'aluminium ou en zamak par exemple. Sont ainsi réalisés; des carters (alliages d'aluminium), des poignées de porte (zamak) des radiateurs de composants électriques (zamak)… Didacticiel

3. Didacticiel Le choix des matériaux L'alliage Les différents alliages d'aluminium silicium ont des propriétés mécaniques mais aussi des propriétés de fonderie différentes. L'ajout de cuivre modifie l'usinabilité par exemple mais aussi -avec le magnésium- les possibilités de traitement thermique. Un AS7G peut être considéré comme courant, avec des caractéristiques "moyennes". Les propriétés des alliages ferreux sont plus "étendues". En fonction des différents éléments d'alliage, un acier peut avoir une limite élastique, un allongement, une résilience, une tenue en fatigue, une tenue à la corrosion … complètement différent. Le choix est très vaste. De même, les propriétés en fonderie varient grandement. Sont distingués ici les aciers à bas carbone des aciers à haut carbone. En ce qui concerne les fontes, avec du graphite sphéroïdal, elles ont des caractéristiques mécaniques qui se rapprochent de certains aciers. Les fontes à graphite lamellaire sont les plus simples à mettre en œuvre, les moins coûteuses, et ont de bonnes propriétés de fonderie. Le moule En moule permanent, le moule métallique est imposé. En moulage sable, deux choix sont proposés : Sable à vert (silico-argileux) : c’est de la silice mélangée avec de l’argile (bentonite par exemple) et de l’eau. C'est le plus utilisé en grande série. Le coût est modéré et le recyclage presque total. Les noyaux utilisés dans ces moules sont tout de même réalisés en sable à prise chimique. Sable à prise chimique : c'est une (des)résine(s) qui vient lier les grains de la silice sous l'action d'un durcisseur ou catalyseur (sous forme liquide ou gazeuse). Les caractéristiques mécaniques du sable obtenu sont bien meilleures, il est possible d'obtenir un meilleur état de surface mais le recyclage est délicat et coûteux. En ce qui concerne l'épaisseur du moule, 100mm en moule non permanent (sable) et 50mm en moule permanent sont des choix pertinents.

4. Didacticiel Le volume d'entrée du métal Pour le moulage gravitaire, il doit correspondre à la dimension du jet de métal liquide. Pour que la simulation puisse être effectuée, il faut que sa section ne dépasse pas de celle de la face de remplissage sélectionnée. Il est donc préférable de cliquer bien au centre de la face de remplissage choisie. Une hauteur de 10mm suffit. Généralement, on définit une forme cylindrique en moulage sable. Elle est plus souvent parallélépipédique en coquille. (Cf. système de remplissage) Pour le moulage sous pression, il doit correspondre au devant du "vérin" d'injection. Il faut donc faire une extrusion de la surface de remplissage sélectionnée. Une hauteur de 10mm suffit. Taille de la grille (maillage) Une grille grossière fournira souvent des résultats approximatifs mais elle assure des calculs rapides qui permettent de visualiser le comportement global et éventuellement détecter des erreurs de paramétrage. Il est donc préférable de toujours commencer par effectuer un tel calcul, peu coûteux en temps. Ensuite, si nécessaire, une seconde simulation avec une grille moyenne est effectuée. Enfin, l'utilisation d'une grille fine augmente fortement les temps de calcul et cela reste difficilement envisageable lors d'un TP. Cependant, cela permet de visualiser précisément ce qui se passe dans l'ensemble de la grappe et pour une présentation ou démonstration, avec une simulation faite à l'avance, c'est visuellement plus agréable.

5. Didacticiel Conditions initiales Température initiale Ce paramètre correspond à la température d'entrée du métal dans le moule. En général, avec une surchauffe (en entrée de moule) de l'ordre de 100°C pour les alliages d'aluminium, et de 150°C pour les alliages ferreux. Valeur de la pression Cette pression correspond à la pression dynamique liée à la hauteur de chute du métal. Une valeur de 2000Pa assure un remplissage réaliste. Perméabilité du moule Pour tenir compte de la contre pression générée par l'air contenu dans l'empreinte lors de la coulée, il faut définir la perméabilité du moule en sable, au travers duquel passeront les gaz. Une valeur moyenne correspond à 140 (GF). Nota: la perméabilité des sables à prise chimique est bien plus faible mais on pratique généralement des évents ou tirages d'air. En moule permanent, la perméabilité est nulle, il faut donc placer des évents sur la grappe. Ils ne sont pas nécessaires pour la simulation. Température initiale du moule En moulage sable, les moules sont à température ambiante (20°C) mais en moule permanent, la coquille est thermorégulée à environ 250 à 350°C (cela varie suivant les pièces, les alliages et les procédés). Vitesse du métal Destiné au procédé sous pression, ce paramètre est lié à la vitesse du "vérin" d'injection du métal. Une valeur de 40m/s permet une simulation réaliste. Définition de la gravité Ce paramètre permet de définir la direction, le sens et l'intensité de la gravité. Sélection des options de calcul Il faut sélectionner un calcul de solidification seule ou de remplissage suivi de la solidification (Cf. didacticiel solidification et masselottage) Temps maximal (de calcul) Pour ce paramètre, il faut considérer ce qui a été fait précédemment (procédé, perméabilité, taille de la pièce…). Il peut cependant être intéressant de se limiter à une valeur précise, notamment si l'on craint par exemple que l'empreinte ne soit pas totalement remplie (et donc que les temps de calcul soient très longs). Température d'arrêt du calcul Dès que l'ensemble de la grappe est complètement solide, il n'est plus utile de continuer le calcul. On décidera donc d'arrêter le calcul lorsque toutes les parties seront sous la température de solidification. On choisira : 500°C pour les alliages d'aluminium. 1000°C pour les ferreux

6. Didacticiel • Partie 2 • Analyse des résultats • L'objectif de ce didacticiel est d'aider à la compréhension de la pertinence des résultats. • Analyse du remplissage • La première analyse peut être : l'empreinte est elle correctement remplie? • Si ce n'est pas le cas, il se peut : • Que le système de remplissage soit mal défini (voir didacticiel n°3) • Que la surchauffe (température initiale) soit trop faible • Que la pièce et l'alliage soient mal adaptés (épaisseur trop faible, problème de coulabilité) • Que le temps maximal de calcul (temps maximal de solidification) soit trop faible • Que la pression initiale soit trop faible • Que la perméabilité du moule soit trop faible • Que la vitesse de remplissage (en sous pression) soit trop faible • … • Le second constat peut-être : le temps de remplissage obtenu est il conforme aux attentes?

7. Didacticiel • Analyse de la solidification • C'est ici que l'on va déceler les zones où ont tendance à apparaître les défauts et visualiser l'effet des masselottes (Cf. didacticiel solidification et masselottage) • Pour faire cela, il est possible de visualiser l'évolution de la fraction solide et donc déterminer les dernières zones solidifiées : • Sélectionner : fraction solide • Cliquer sur l'icône iso surface et choisir une valeur supérieure à 0,2. • Regarder l'évolution dans le temps. • L'autre possibilité est de visualiser la prédiction des "porosités" (retassures). • Si l'on s'intéresse aux macro-retassures seules, il faut alors cliquer sur l'icône iso surface et choisir une valeur supérieure à 20%.

8. Didacticiel Partie 3 Le système de remplissage L'objectif de ce didacticiel est d'aider à la compréhension et la conception du système de remplissage En gravitaire Le support pédagogique peut être un volume à remplir (ici une plaque verticale percée), avec une attaque latérale, typique du moulage en coquille. (Le fichier est proposé en exemple) Nous allons nous attacher à regarder l'influence du diamètre de la descente de coulée sur le temps de remplissage. C'est traditionnellement ce qui est calculé par les fondeurs, la section des canaux et des attaques se déterminant avec l'échelonnement choisi. Le cas du procédé sous pression est abordé plus loin. Paramètres de simulation proposés : • Moulage au sable par gravité • Alliage AS7G • Matériau moule: Sable à vert d'épaisseur 200mm • Arrivée du métal : Cylindrique de diamètre 20mm (10mm de hauteur) • Grille de taille moyenne • Température initiale 720°C • Pression 2000 Pa • Perméabilité 140 GF • Température initiale du moule 20°C

9. Didacticiel Effectuons les simulations en prenant un diamètre de descente de 4, 6, 8, 10 puis 12mm. Nota1: Si une fenêtre apparait avec un message d'erreur, il est fort probable que le volume d'entrée soit mal défini (plus large que la face qui le supporte) Nota2 : la section d'attaque doit varier pour respecter l'échelonnement choisi. La plupart des cas s'accommodent d'un échelonnement 1-1-1. Si l'on regarde le temps de remplissage, on observe On remarque que la variation n'est pas linéaire. Le temps de remplissage est plutôt inversement proportionnel à la section de remplissage et donc au carré du diamètre. En moulage gravitaire au sable, les temps de remplissage sont généralement de 3s à 5s pour les pièces courantes, (plusieurs kilos), jusqu'à 12s pour les grosses pièces (plusieurs centaines de kilos) et 30s et plus pour les très grosses réalisations (plusieurs tonnes).L'épaisseur "représentative" de la pièce est un paramètre important car il faut remplir avant que le métal ne fige (On écrit Tr<Tl) (Cf. didacticiel sur la coulabilité).Il faut aussi que le moule soit remplit avant qu'il ne se dégrade par la chaleur (On écrit Tr<Tg). La surchauffe est aussi à prendre en compte. Elle est généralement de 100 à 150°C. Le temps de remplissage ne doit pas non plus être trop court pour que le moule ne soit pas érodé. E effet, on préfère généralement que la vitesse du métal ne dépasse pas 1m/s. En moulage coquille, les phénomènes sont identiques mais les temps de remplissage plus courts car le refroidissement est plus rapide et il y a beaucoup moins de problèmes d'érosion. Pour que le métal ne fige pas trop vite, le moule est thermiquement régulé (300°C environ). La section du système de remplissage est généralement rectangulaire (avec dépouille)

10. Didacticiel Certains moules nécessitent parfois deux descentes de coulée. Exemple : Moule métallique d'une semelle d'étau avec deux descentes de coulée, deux masselottes latérales, une masselotte en charge (dessus) et trois évents. Il est aussi possible de faire le même genre d'exercice en faisant varier la hauteur de la descente. En effet, plus elle est grande, plus la pression metallostatique augmente plus le remplissage est rapide.

11. Didacticiel • Dans le cas d'un moulage avec plan de joint horizontal, le système de remplissage comprend : • un entonnoir ou bassin de coulée, • un conduit vertical dit descente de coulée, • un (ou des) conduit horizontal dit canal (ou chenal) de coulée, • des petits conduits directement au contact de la "pièce" dits attaques. • Le calcul pratique effectué par les fondeurs se base sur la relation suivante : ou • En résumé; la démarche est : • Choisir Tr en fonction de l'alliage, de la surchauffe, du type de moule, des épaisseurs et des dimensions de la pièce • La hauteur se déduit de la taille du moule et de la position des attaques (généralement entre 100 et 200mm). Il est possible de rajouter un entonnoir ou bassin de coulée. • Mesurer (ou estimer) le volume de la grappe • Calculer le diamètre de la descente de coulée • Dimensionner les canaux et attaques en fonction de l'échelonnement choisi. • Avec • S section de contrôle (Section de la descente) du système de remplissage • V Volume de la grappe • Tr temps de remplissage de la grappe coulée • g accélération de la pesanteur (9,81 m/s2) • H hauteur métallostatique moyenne • B coefficient de pertes de charge (généralement 2) • Rh rendement hydraulique (généralement 0,5)

12. Didacticiel Exemple. Calcul du système de remplissage d'une pièce en alliage d'aluminium moulé au sable, d'épaisseur représentative de 5mm, de dimension générales 150x150x100, coulée à 740°C. On choisit, Tr=5s (il existe des abaques). Si le volume de la grappe est de 0,8dm3 et la hauteur metallostatique moyenne h=120mm, On obtient : S=189mm2 soit D=15mm environ Les canaux sont généralement aussi hauts que larges, si l'échelonnement est de 1-1-1, cela donne un canal de 14mm de large et de haut.(14x14=196mm2) • Les attaques sont généralement plates de rapport , soit une hauteur d'environ 7mm pour une largeur de 28mm (7x28=196mm2). • Remarque : • S'il l'on choisit de mettre deux attaques, il faut répartir la section, ce qui donne des hauteurs de 5mm environ pour des largeurs de 20mm (2x5x20=200mm2) • On rencontre parfois dans l'industrie des techniques différentes.

13. Didacticiel Exemple 1 : un remplissage par un système de "tubulures" en céramique dans le moule (et non pas au plan de joint) Exemple 2 : Une pièce remplie en coulant l'alliage directement dans un "manchon filtre", c'est-à-dire directement dans une masselotte. Aube de redresseur de flux pour turbine de barrage hydroélectrique. En sous pression Le moule est monté sur une presse, l'arrivée du métal est donc généralement horizontale. Dans le cas du procédé dit chambre froide, une quantité de métal est insérée devant le vérin d'injection qui pousse le métal. On a donc une "pastille", un diffuseur qui répartit le métal vers les attaques. Dans le cas du procédé dit chambre chaude, le métal est poussé directement depuis le four, on a donc une carotte, puis un diffuseur et des attaques. On se rapproche du fonctionnement de l'injection plastique.

14. Didacticiel Partie 4 : La coulabilité L'objectif de ce didacticiel est de montrer la coulabilité. Le support pédagogique est une plaque à remplir (ici horizontale). Le système de remplissage a été simplifié. Nous allons nous attacher à regarder la capacité d'un alliage à remplir une empreinte ; c'est la coulabilité. Il vous est ici proposé de réaliser différentes simulations en fixant l'ensemble des paramètres, sauf le type d'alliage (et donc la température du métal, cf. surchauffe). Paramètres de simulation proposés : • Moulage au sable par gravité • Matériau moule : Sable chimique d'épaisseur 100mm • Arrivée du métal : Cylindrique de diamètre 20mm • Grille de taille moyenne • Pression 2000 Pa • Perméabilité 140 GF • Température du moule 20°C

15. Didacticiel • Effectuons les simulations en prenant un AS7 à 720°C, un AS11 à 700°C, un acier bas carbone à 1650°C et une fonte à graphite lamellaire à 1400°C. • On obtient : AS7 à 720°C AS11 à 700°C Acier bas carbone à 1650°C Fonte à graphite lamellaire à 1400°C

16. Didacticiel Il faut donc retenir que pour la conception des pièces de fonderie, au delà du choix de matériau sur des critères classiques et du dimensionnement des pièces (résistance mécanique, tenue en température…), chaque métal a ses propres possibilités de mise en œuvre. Meilleure est la coulabilité (alliages d'aluminium, zamak), plus il sera possible d'obtenir des épaisseurs fines et une bonne reproduction des détails du moule. Il est aussi possible de modifier la coulabilité d'un matériau avec des éléments d'alliage. Mais cela peut modifier fortement le comportement mécanique. Par exemple, le phosphore augmente beaucoup la coulabilité des fontes (pour faire des éléments de cuisinières par exemple) mais il les rend beaucoup moins résilientes. Une autre possibilité est d'augmenter la surchauffe mais cela augmente les pertes au feu (matériau brulés dans le four), augmente les risques de gazage, d'oxydation…et bien sûr les coûts énergétiques. En fonderie, lorsque l'on veut faire un test de coulabilité, on coule l'alliage dans un moule en spirale. Plus le métal va loin, meilleure est la coulabilité. Cela donne: AS7 à 720°C AS11 à 700°C Acier bas carbone à 1650°C Fonte à graphite lamellaire à 1400°C

17. Didacticiel Partie 5 Solidification et masselottage L'objectif de ce didacticiel est de montrer les phénomènes liés à la solidification et le masselottage. Le retrait volumique à l'état solide est assez simple à maitriser et ne sera pas abordé ici. Nota : Il n'est pas forcément nécessaire de réaliser un calcul de remplissage pour simuler la solidification. En effet, pour choisir la position des attaques par exemple, (pour favoriser la solidification dirigée), et rechercher les zones de dernière solidification, il est possible de simuler la solidification de la pièce seule. Toutefois, le calcul se fait alors en partant d'une température homogène dans l'empreinte, ce qui n'est pas le cas dans la réalité. Le calcul de remplissage de la grappe complète permet d'obtenir la carte thermique qui seule permet une simulation de solidification pertinente. En général, on simule donc le remplissage puis la solidification. Le principal phénomène lors du refroidissement est la contraction volumique lors du passage de l'état liquide à l'état solide. Les premières zones de la pièce à solidifier sont alors "alimentées" en liquide par les parties adjacentes. C'est dans les dernières zones de solidification qu'apparaissent les retraits volumiques; les retassures. Il n'est pas possible de les éliminer. La seule solution est de les déplacer hors de la pièce, c'est le rôle des masselottes. On cherche donc à obtenir une solidification dirigée, en partant des parties les plus fines de la pièce (ou les plus éloignées des attaques ou celles en contact avec des refroidisseurs) et en finissant dans les masselottes et le système de remplissage. La direction de la gravité est importante, en effet, le métal liquide descend et alimente donc les parties basses de la pièce. Il est donc impératif de bien réfléchir au sens de moulage au début de l'étude. Le support proposé est une grappe constituée de quatre pièces. Le système de remplissage a été validé.

18. Didacticiel Paramètres de simulation proposés : • Moulage au sable par gravité • Acier bas carbone • Matériau moule : Sable chimique d'épaisseur 100mm • Arrivée du métal : Cylindrique de diamètre 10mm • Grille de taille moyenne • Température de coulée 1650°C • Pression 2000 Pa • Perméabilité 140 GF • Température du moule 20°C Si l'on sélectionne porosités et retassures, la simulation donne : Pour ne visualiser que les macros retassure, il faut choisir de ne visualiser que les valeurs supérieures à 20% environ.

19. Didacticiel On se propose donc de placer des masselottes au dessus des zones concernées. Cela donne : Si l'on répète la simulation avec les mêmes paramètres, on obtient : Les retassures ont bien été déplacées dans les masselottes. Elles seront éliminées lors de l'ébarbage. En pratique, il est possible d'augmenter l'efficacité des masselottes avec des manchons et de la poudre exothermiques. Cela diminue aussi la mise au mille et l'ébarbage.