La maîtrise du process de moulage en sable silico-argileux

Moulage en sable - noyau en cours de fabrication

En moulage en sable silico-argileux, les fondeurs utilisent de nombreux outils qualité pour comprendre et maîtriser les effets des paramètres qui génèrent des défauts sur les pièces fabriquées (abreuvage, porosité, …). Mais en cas de dérive du process de fabrication, on se rend bien souvent compte que le plus difficile c’est d’identifier les paramètre les plus influents pour définir un plan d’action efficace.

Des modifications de process à l’origine de la non qualité

Pour faire face au changement de contexte permanent (législation, normes, évolution des marchés, commandes des clients, nouveaux concurrents), les fondeurs adaptent leurs moyens de production, utilisent des matériaux de dernière génération, diversifient les types de pièces produites, changent de métallurgie, modifient les méthodes et l’organisation du travail. Ces changements peuvent alors impacter progressivement les processus de moulage ou de noyautage, qui sont alors de moins en moins stabilisés dans le temps et peuvent générer à terme des non qualité sur les pièces produites.

Mécanisme de l'abreuvage liée à la couche d enduit

Mécanisme de l’abreuvage liée à la couche d enduit

Les défauts de fonderie liés au sable de moulage et noyautage

Abreuvage en moulage sable

Abreuvage en moulage sable

De nombreux défauts peuvent être imputables plus spécifiquement au sable de fonderie ou aux noyaux. On peut citer (sans être exhaustif) l’abreuvage et les gerces, les dégagements gazeux (réaction noyaux/métal, noyaux humides, …), les problèmes dimensionnels (recul ou casse de noyau, mauvais renmoulage des noyaux ou déplacement des noyaux lors de la coulée, …), les inclusions de sables (ou d’enduit), des surfaces défectueuses (rugosité trop importante) ou encore des morceaux de noyaux non débourrés dans les zones internes complexes (conduits étroits et profonds).

Des phénomènes physico-chimiques complexes

En effet, tout au long du processus de fonderie, des phénomènes physiques et chimiques à l’ambiante ou à chaud – souvent complexes – agissent en permanence sur le sable, sur les noyaux et les enduits de protection (polymérisation, condensation, échauffement, refroidissement, pollution du sable par une matière intégrée involontairement, …) et peuvent modifier et dégrader leur comportement d’usage. Dans les cas extrêmes, cela favorise le dysfonctionnement des moyens de production utilisés (grille de décochage, bande de transport, élévateur, over-band, poulie magnétique, crible, refroidisseur, …).

Synoptique du process de moulage et de noyautage

Synoptique du process de moulage et coulée en sablerie sable silico-argileux

L’analyse du sable silico-argileux

Moule en sable silico-argileux

Moule en sable silico-argileux

En cas de dérive du processus de moulage en sable silico-argileux, les points clefs pour détecter et identifier plus facilement les paramètres liés au sable pouvant générer des défauts sont nombreux. Il faut tout d’abord analyser les paramètres physico-chimiques du sable et contrôler les caractéristiques mécaniques sur des éprouvettes normalisées. Afin d’être représentatifs, les contrôles et les analyses doivent être effectués sur des échantillons de sable prélevés à une fréquence suffisante et tenant compte de l’engagement de la production (au minimum 3 à 5 mesures réparties sur le temps d’engagement, l’idéal étant d’effectuer des mesures en continu).

Ensuite, il y a lieu de suivre l’évolution de chaque paramètre mesuré et vérifier les tendances par rapport aux limites minimale et maximale déterminées par expérience ou par rapport aux règles de base du moulage. Puis, il est important d’analyser et suivre les caractéristiques du « sable de retour » pour comprendre ses évolutions en fonction des séries engagées au moulage, des types de pièces produites, des alliages et des tonnages coulés et des méthodes appliquées. Des bilans de production / consommations matières doivent être réalisés afin de déterminer des ratios techniques pour mieux comprendre le fonctionnement des secteurs moulage et sablerie. Enfin, il est nécessaire de contrôler régulièrement la qualité des matières utilisées (en fonction des livraisons de sable neuf, d’argile, d’additif carboné, …).

Le taux de brûlage du sable de moulage

Arrivée du sable préparé au poste de moulage

Arrivée du sable préparé au poste de moulage

Au moment d’organiser les lancements de campagne de fabrication, il faut toujours garder en tête que des variations de production avec de fortes amplitudes dégradent de façon plus ou moins intense le sable de moulage et ses constituants. Cette dégradation est mesurée par le « taux de brûlage » du sable de moulage. Les paramètres qui agissent sur ce taux de brûlage sont nombreux : la taille des séries, la forme des pièces et du système de remplissage et d’alimentation (la grappe de coulée), la surface de contact entre le sable et le métal, le rapport entre le poids de la grappe coulée et le poids de sable constituant le moule, le type d’alliage coulé, la température de coulée, le temps de remplissage des moules, la pression métallo-statique, le temps de refroidissement avant l’opération de décochage ou encore les épaisseurs en présence (pièces, bandes de sable formées par l’empreinte, couches d’enduits déposées sur les noyaux ou les moules, …).

L’analyse du sable de noyautage en prise chimique

Blocs de noyaux de carters assemblés et enduits

Blocs de noyaux de carters assemblés et enduits – transfert au poste d’étuvage

Par rapport à une dérive du processus de noyautage en sable chimique (noyaux), les points clefs pour détecter et identifier les paramètres pouvant générer des défauts sont connus. Il y a lieu tout d’abord d’analyser les paramètres physico-chimiques du sable neuf et du sable préparé. Il faut ensuite contrôler la durée de vie du sable préparé et les caractéristiques mécaniques mesurées sur des éprouvettes normalisées. Comme pour le processus de moulage, les échantillons de sable à contrôler doivent être prélevés à une fréquence suffisante et correspondante à l’engagement du secteur noyautage.

Puis, il faut contrôler et suivre la qualité des noyaux fabriqués (risques de dérives en fonction des séries, des types de noyaux, de l’état des outillages et des moyens de production, des méthodes appliquées, …). Il est important également d’effectuer un bilan de la sablerie pour déterminer des ratios techniques de fonctionnement du secteur noyautage. Enfin, il faut contrôler régulièrement la qualité des matières utilisées (en fonction des livraisons de sable neuf, de liants, d’additifs, d’enduits, …).

Les 5M de la qualité pour le moulage en sable

En général, la qualité des matières premières réceptionnées au noyautage est conforme pour préparer un sable correspondant au besoin de la production. Mais, c’est dès la mise en œuvre des opérations suivantes que tout se complique et qu’une multitude de causes potentielles de défaut sur les pièces apparaissent. Il faut assurer la stabilité du processus de fabrication des noyaux en prenant en compte les 5M (Moyens, Main d’œuvre, Méthodes, Milieu, Matières utilisées).

Blocs noyaux remmoulés en sable à prise chimique

Blocs noyaux remmoulés en sable à prise chimique – carter de machines

Ainsi, les moyens de production, de contrôle et d’étalonnage doivent être en parfait état (sablerie, machines à noyauter, outillages, préhenseurs, chariots de stockage, machines de perçage, d’ébavurage, d’assemblage, d’enduction, de séchage, …). Ensuite, la main d’œuvre de production (CDI, intérimaires) doit être formée et informée par rapport aux tâches à réaliser (gammes à jour, instructions de travail, retours d’informations concernant les actions de la maintenance, « top 10 » des rebuts, « top 10 » des défauts sur noyaux, explication des actions à mettre en œuvre suite à une dérogation, …).

Concernant les méthodes, une aide permanente et un support technique doivent être assurés auprès du personnel de production (connaissance des études de moulage et de la position des noyaux dans le moule, compréhension des opérations d’ébavurage des noyaux, perçage d’évent, collage, assemblage, enduction, …). Ensuite les paramètres du milieu et relatifs aux paramètres de fabrication doivent être surveillés et maîtrisés (temps, température, fréquence, vitesse, pression, humidité, …). Enfin, les matières utilisées, au-delà de l’assurance qualité fournisseurs, peuvent faire l’objet de contrôles statistiques en fonction des enjeux.

Processus de noyautage - cold box polyuréthanne gazé à l’amine

Processus de noyautage – cold box polyuréthanne gazé à l’amine

Les étapes du process de fabrication

Moulage pieces en acier en sable silico-argileux

Moulage de pièces en acier en sable silico-argileux

Après la réalisation des moules et des noyaux, les principales étapes du processus de fabrication sont nombreuses : le retournement des parties du moule, la suppression des particules situées dans le système de coulée et les empreintes (grains de sable, particules d’enduits, autre …), le remmoulage, le perçage d’évents, la réalisation du godet de coulée, …, la suppression des particules situées dans le système de coulée et les empreintes (grains de sable, particules d’enduits, autre …), la fermeture des moules, le crampage et/ou le chargement, la coulée du métal liquide, le refroidissement, …, le décochage.

Pour éviter la formation de défauts de fonderie liés au sable durant les étapes ci-dessus, il faut maîtriser et suivre les paramètres liés aux jeux fonctionnels (de remmoulage, coiffage, fermeture, autres), aux pressions (statique, dynamique, capillaire, …), aux débits et vitesse de métal liquide, aux cadences de production, aux températures de métal liquide, aux différentes hauteurs (métallo-statique initiale et finale, des châssis, des mottes, du jet de coulée, …) ou aux temps de cycle.

L’opération de décochage, cause possible de dérive

Après le refroidissement de la grappe coulée, l’opération de décochage – qui consiste à séparer la grappe métallique du restant du moule (sable de moulage, noyaux, enduits, accessoires) – peut également générer une dérive de la composition du sable de moulage (et donc générer des défauts sur les prochaines fabrications). Les paramètres importants à suivre pour maîtriser cette opération de décochage sont la quantité de sable adhérant aux pièces, la quantité de sable neuf réintroduit dans le sable de retour en sablerie (liée aux noyaux utilisés), la nature et la composition du sable de retour en sablerie et enfin la nature et la composition des pertes en sable (fuites tout au long du processus de fabrication).

Connaître les flux de sable

En particulier, il est impératif de connaître en permanence tous les flux de sable (les points d’évacuations, de réintroductions, les quantités, les natures et les compositions). Une mauvaise gestion des flux de sable peut déséquilibrer le fonctionnement d’une sablerie et favoriser la formation de défauts liés au sable.

Utiliser les moyens de supervision des chantiers de moulage et de noyautage

Chantier de moulage en sable silico-argileux

Chantier de moulage en sable silico-argileux

Les chantiers de moulage et de noyautage récents mesurent et enregistrent de plus en plus de paramètres de production (pression, température, …) en temps réel. Cette supervision du process de moulage produit des bases de données techniques volumineuses souvent difficiles à interpréter sans tenir compte des évènements du quotidien, des changements de contexte et des interactions entre plusieurs paramètres. Il faut alors absolument se rapprocher du terrain (opérateurs, régleurs) pour pouvoir comprendre et interpréter les tendances liées aux valeurs mesurées et les corréler avec une dérive des caractéristiques du moule ou des noyaux.

Au-delà de la maîtrise du sable de fonderie

Bien évidemment, la non qualité sur les pièces n’est pas imputable uniquement au sable de moulage et de noyautage. Le tracé des pièces (zones très massives, …), la  conception du système de remplissage et d’alimentation des empreintes, le processus d’élaboration du métal liquide ou encore le traitement thermique peuvent également être en cause.

L’impact des nouveaux procédés de fabrication

MEB-analyse du sable de fonderie

MEB-analyse du sable de fonderie

Enfin, l’évolution et le développement de nouveaux procédés de fabrication peuvent induire la formation de « nouveaux » défauts, dont les mécanismes de formation sont peu connus et les règles de base pour les éradiquer encore peu établies. Dans ce cas précis, le défaut rencontré doit d’abord être expertisé finement en laboratoire pour identifier les matières en présence, comprendre les phénomènes intervenants et cerner les paramètres qui favorisent l’apparition de ce défaut.

7 commentaires

  1. Julien Fougeyrollas says

    Bonjour, pure curiosité : des solutions type bouche-pore existent-elles ?

    • Le métallonaute
      Le métallonaute says

      Bonjour Julien. Saine curiosité. Oui, on utilise des enduits en surface de moule pour augmenter la resistance des couches superficielles a l’agression du metal liquide dans certaines métallurgies (acier, …).

  2. Virolle says

    Bonjour Julien et merci au métallonaute pour cette réponse,
    L’enduction est effectivement un procédé utilisé pour protéger la surface des moules en contact avec le métal liquide (ce qui améliore l’état de surface des pièces moulées). Toutefois, avant de développer ce procédé coûteux pour sa mise en œuvre, l’ajout d’un additif dans le sable est parfois suffisant.

  3. Nicolas says

    Bonjour,
    Si vos pièces sont sales après grenaillage, ce n’est pas forcement lié à votre sable. Il est recommandé de bien vérifier le mélange opératoire de votre grenailleuse, son état d’usure et la position de ses points chauds.

  4. Moussa says

    Bonjour,

    Est ce qu’il l’augmentation de la température de coulée jusqu’a 1390 °C pour des pièces en fonte peut créer des problèmes ? merci

    • Le métallonaute
      Le métallonaute says

      Bonjour Moussa et merci pour votre question. Oui, l’effet de la température de la fonte sur le sable peut générer des phénomènes qui provoqueront des défauts sur les pièces, si les règles de base ne sont pas appliquées, ou si l’étude de moulage de la pièce ne prend pas en compte toutes les contraintes liées à la fabrication. Par exemple, la dilatation de la silice est l’un des phénomènes qui peut provoquer de nombreux défauts sur les pièces (gales, stries, vers, gerces, mauvais dimensionnel, …).

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