Salsa3D - Conception d'un système d'alimentation en fonderie sous pression
La simulation numérique du remplissage et de la solidification permet d’optimiser le design et la conception des systèmes d’alimentation. Cependant, le design initial du système d’alimentation d’une pièce est du ressort du concepteur du bureau des méthodes fonderie. En fonderie sous pression, Salsa3D, est un outil qui permet, à partir de règles métiers, de dimensionner au mieux un système d’alimentation qui servira alors de donnée d’entrée à la simulation numérique.
Historique de Salsa3D
Carter de direction en aluminium – système d’alimentation calculé
Développé par CTIF dans les années 80, tout d’abord sur calculette programmable, puis sous DOS, le programme, nommé alors SYSTAPRE, permettait déjà de dimensionner un système d’alimentation en fonderie sous pression (aluminium, zinc, cuivre, magnésium).
CAO système d’alimentation – moule automobile – CAO des canaux
Développé initialement pour les pièces en Zamak pour être étendu ensuite aux grosses pièces en aluminium, le programme a été testé sur des carters d’embrayage, …, colonnes de direction où il a démontré son potentiel et la possibilité de réduire la mise au mille (ratio poids de la grappe rapporté au poids des pièces). Doté ensuite d’une interface utilisateur beaucoup plus conviviale (en QuickBasic / WinDev) sous le nom de Salsa, il a abouti finalement à partir des années 2000 à Salsa3D qui intègre un modeleur géométrique et permet des échanges avec la CAO et la récupération de la géométrie du système d’alimentation.
Les principes de conception d’un système d’alimentation
Le dimensionnement et la conception des systèmes d’alimentation dans Salsa3D repose sur plusieurs principes de conception ; l’écoulement pulvérisé, la convergence des sections des canaux d’alimentation, la décomposition de la pièce en éléments simples, l’équilibrage des pertes de charges aux attaques et enfin des contraintes aux attaques (vitesse maximum du métal, épaisseur mini et maxi des attaques de coulée).
Écoulement pulvérisé
Ecoulement en jet en pulvérisé en fonderie sous pression
En fonderie sous pression, il existe trois grands types de régime d’écoulement : le régime d’écoulement en front continu, celui en jet et le régime d’écoulement en pulvérisé. Le régime en front continu, traditionnellement obtenu en moulage gravité pour des faibles vitesses aux attaques, n’est quasiment jamais atteignable en fonderie sous pression, excepté en première phase d’injection. Si ce régime est très favorable pour minimiser les entraînements d’air, il a cependant l’inconvénient majeur de conduire à un très fort refroidissement du métal dans l’empreinte et génère des défauts de type manque ou reprise. Il ne peut être utilisé que pour de très fortes épaisseurs de pièce (> 15 mm) typiques du squeeze casting.
Écoulement pulvérisé et en jet pour l’aluminium – fonction épaisseur d’attaque et vitesse du métal à l’attaque
Ensuite, le régime dit « pulvérisé » correspond à l’injection de gouttelettes de métal très fragmentées dans l’empreinte et à un front de métal très divisé. Paradoxalement, ce régime d’écoulement, est très favorable pour la santé des pièces, dans la mesure où il évite des emprisonnements d’air massifs et permet de limiter les recirculations de métal dans l’empreinte qui risquent de générer des défauts de type reprise ou soufflure. Avec un écoulement pulvérisé, le volume de gaz inclus dans les pièces est nettement mieux réparti (microporosités) et beaucoup plus homogène qu’avec un écoulement en jet qui concentre l’air inclus (macroporosités). Il est ainsi recommandé de se placer en régime d’écoulement pulvérisé. Pour une épaisseur d’attaque donnée, le régime pulvérisé s’obtient pour de fortes vitesses de métal. Inversement, une trop faible vitesse du métal conduit à un régime en jet.
Convergence des sections d’alimentation
Influence des coefficients de convergence et de raccordement pour des systèmes multi-empreintes
Le coefficient de convergence – rapport entre la section d’entrée (entrée du métal) et la section de sortie (en bout) d’un canal de coulée – est nécessaire afin de s’assurer que le métal est bien plaqué contre les parois du canal (pas de décollement métal et d’entraînement d’air) et pour accélérer le métal vers les attaques de coulée. Les valeurs usuelles suivantes sont utilisées : canal droit de faible longueur (coefficient de 1.05 à 1.1), canal droit et long (coefficient de 1.1 à 1.2) et canal courbe (coefficient de 1.1 à 1.3 selon la courbure).
Boitier et système d’alimentation avec salsa 3D
De la même manière, lorsqu’un canal se ramifie en 2 canaux (ou davantage), afin d’éviter les décollements des veines de métal, on applique un coefficient de raccordement (ratio entre les sections d’entrée et de sortie) qui vient provoquer une augmentation des pertes de charge hydrauliques et prévient tout décollement. Cependant, dans le cas de grappes multi-empreintes fortement ramifiées (petites pièces en Zamak par exemple), l’utilisation systématique de coefficient de convergence et de raccordement élevé (> 1.1) peut augmenter la section des canaux et la masse de la grappe de manière importante.
Trois types d’attaques de coulées
Étape de construction des lignes du système d’alimentation
On peut alimenter une pièce par trois types d’attaques de coulée ; des canaux tangentiels, des éventails et enfin un éventail avec double tangentiel de chaque côté de l‘éventail. Le canal tangentiel présente l’avantage d’alimenter la pièce sur une grande longueur avec une attaque d’un seul tenant avec une faible mise au mille. Par contre, il impose un angle d’écoulement dans la pièce qui peut présenter une « zone morte » à l’entrée du canal tangentiel. L’éventail est, quant-à-lui, perpendiculaire à l’attaque de coulée mais permet difficilement une grande longueur d’attaque. On peut cependant juxtaposer cote à cote de nombreuses petites attaques en éventails pour alimenter de manière continue (et sans rupture) une pièce de grande longueur. Enfin, l’éventail avec le double tangentiel est un système mixte.
Décomposition d’une pièce en éléments simples et équilibrage des pertes de charge aux attaques
Platine guide de billets d’avion en Zamak – décomposition de la pièce en éléments simples
La démarche de conception des systèmes d’alimentation avec Salsa3D est de décomposer une pièce en éléments simples qui seront chacun alimentés par une attaque de coulée unique (canal tangentiel, éventail ou double tangentiel avec delta central). Chaque élément de la pièce est caractérisé par son poids (auquel on rajoute celui des talons de lavage). L’objectif est de dimensionner le système d’attaques afin que chaque élément de la pièce se remplissage dans le même temps – le temps de remplissage – pour éviter le plus possible les recirculations de métal dans la pièce, responsables de la non qualité (défauts de types reprises, soufflures). Le temps de remplissage identique pour chaque élément de la pièce est réalisé par un équilibrage des pertes de charges aux attaques par le logiciel Salsa3D.
La vitesse maximale à l’attaque de coulée
Il est nécessaire de limiter la vitesse du métal aux attaques de coulée sous peine de créer des usures de moule prématurées ou de provoquer des phénomènes de collage (interactions moule / métal) importants. En pratique, on limite donc la vitesse du métal aux attaques à 45 m/s pour les alliages d’aluminium, à 60 m/s pour les alliages de zinc et enfin à 90 m/s pour les alliages de magnésium.
Un plug-in métier à mi-chemin entre la CAO et la simulation fonderie
Pièce CAO – Salsa 3D – récupération CAO grappe et simulation numérique
Salsa3D avec sa couche basse Open CASCADE, son interface utilisateur 3DShop et son plug-in métier, permet de dialoguer avec les outils de CAO et de simulation numérique (ProCAST et QuikCAST). L’outil de CAO (Catia, SolidWorks, …) permet ainsi d’extraire le contour de la pièce (dans le plan de joint). Ce contour est ensuite importé dans Salsa3D pour y adjoindre la position des attaques et réaliser le dimensionnement et la conception des systèmes d’alimentation. La géométrie de la grappe est ensuite reprise dans un logiciel de simulation numérique pour valider le remplissage et optimiser la géométrie des systèmes d’alimentation.
Au plus près des innovations technologiques que j’aime faire découvrir et partager.
Salsa+Simulation =bon du premier coup
Bonjour Nassim et merci pour votre avis sur le logiciel Salsa3D couplé à la simulation numérique. Effectivement, l’objectif de ces outils est de « faire bon du premier coup » ou de s’en rapprocher le plus possible. Nous sommes convaincus, comme beaucoup d’autres, de l’importance de l’approche numérique dans les industries de transformation des métaux.
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Encore un article intéréssant.
J’ai par contre quelques interrogations concernant le régime d’écoulement : seules l’épaisseur de l’attaque et la vitesse du métal influencent le régime de remplissage ? Le diagramme vitesse épaisseur semble être un outil intéressant, mais comment sont déterminées les frontières entre les différents régimes ?
Bonjour Luc. Merci d’avoir apprécié cet article et de nous poser cette très intéressante question. Historiquement, Jack Wallace a mis en évidence dans les années 1960-1970 à la Case Western Reserve University une relation qui relie la pulvérisation à l’épaisseur d’attaque, à la vitesse d’écoulement, à la masse volumique, à la viscosité et à la tension de surface d’un alliage. Pour un alliage donné, à la température de coulée conventionnelle, la masse volumique, la tension de surface et la viscosité peuvent être considérés en première approche comme constante. Reste donc la vitesse d’écoulement et l’épaisseur d’attaque (maitrisable par le fondeur). Il existe donc un diagramme différent par type d’alliage (aluminium, zamak, …). Les frontières étant cependant un peu artificielles et très binaires, nous avons donc développé dans Salsa3D la notion de régime « sous-pulvérisé » pour préciser que le régime d’écoulement est sur la frontière et non pas clairement en « pulvérisé » ni en régime en « jet ».
Bonjour,
Je vous remercie pour votre réponse. Le paramètre dimensionnel dans la relation de John Wallace n’est il pas par contre lié au diamètre hydraulique ? De la même manière que ce que proposera Ralph Maier quelques années plus tard ? Dans son ouvrage publié récemment (Gatting Manual), Allen Miller reprend cette équation et défini le D comme le demi diamètre hydraulique.
Les frontières ne sont pas si binaires que ça : à la fin des années 30, Ohnesorge propose un nombre qui portera son nom au monde de la mécanique des fluides. En 1973 Maier reprend cette théorie et démontre expérimentalement qu’il est possible de l’appliquer au laiton injecté sous pression (un CuZn32Pb1.5). Cette théorie présente trois zones distinctes appelées continuous, coarse particle et atomized. La zone particulaire est présenté comme une zone de transition, où la dimension des particules évolue du jet continu jusqu’à l’émulsion.
Bonjour Luc et merci pour ces précisions pointues et pertinentes (sur le diamètre hydraulique et les frontières entre types d’écoulement) relatives au régime d’écoulement en fonderie sous pression.