La simulation de remplissage d’une éprouvette mince

Simulation numérique du remplissage d'une pièce mince en fonderie sous pression.

Simulation numérique du remplissage d'une pièce mince en fonderie sous pression.

La simulation de remplissage d’une éprouvette mince de grande taille (longueur développée de 1 mètre) a permis d’appréhender l’impact des paramètres d’injection en fonderie sous pression. La température du moule et l’utilisation du sous vide sont les deux paramètres majeurs. Ensuite, la température du métal et la vitesse d’injection contribue à la distance de remplissage obtenue.

Mieux connaître les paramètres majeurs impactant le remplissage de pièces minces

La réduction de masse des pièces en aluminium produites en fonderie sous pression est une demande constante liée à l’allègement des véhicules et à la diminution des consommations de carburant donc des rejets de CO2. Aujourd’hui, les épaisseurs moyennes des pièces produites en fonderie sous pression sont couramment de l’ordre de 2,5 mm à 3 mm. Très localement, on peut avoir des ailettes ou des toiles minces avec une épaisseur plus fine de 1 à 1,5 mm. Il est donc important de connaître l’épaisseur minimum atteignable sur des grandes surfaces de pièce par cette technologie et les paramètres ou les moyens technologiques nécessaires pour y parvenir.

L’éprouvette mince

Eprouvette de coulabilité en fonderie sous pression.
Eprouvette de coulabilité en fonderie sous pression.

La pièce éprouvette de coulabilité virtuelle avait pour objectif de rendre très délicat, voire impossible, son remplissage complet afin d’évaluer la distance remplie. Pour cela une très grande longueur développée (1 mètre) a été retenue, ce qui permet de garantir que dans la majorité des cas, l’éprouvette ne sera pas remplie complètement. La largeur de passage de métal était de 16 mm avec une épaisseur variable (1 mm, 1.5 mm, 2 mm et 3 mm). Les dimensions totales de l’éprouvette étaient de 240 x 244 mm. L’éprouvette était constituée d’une zone fine et de huit bossages de 15 mm espacés à intervalles réguliers. L’alliage retenu était l’AlSi9Cu3 et le moule était un acier traditionnel type X35CrMOV5. Neuf points de suivi (température et pression) virtuels étaient positionnés dans la pièce en zone mince entre les bossages.

Un remplissage vite interrompu pour une épaisseur de 1mm

Remplissage éprouvette avec épaisseur 1 mm et 3,5 mm.
Remplissage éprouvette avec épaisseur 1 mm et 3,5 mm.

On s’aperçoit de la facilité de remplissage d’une éprouvette épaisse (3,5 mm), représentative de la pratique industrielle où les longueurs de remplissage développées peuvent être de l’ordre du mètre. Et à contrario, ce remplissage est très faible pour l’épaisseur de 1 mm.

Les quatre paramètres investigués

Modification des paramètres pour épaisseur de pièce de 1,5 mm.
Modification des paramètres pour épaisseur de pièce de 1,5 mm.

Quatre paramètres de production ont été investigués : la température du métal aux attaques, la température du moule en surface (considérée comme homogène et identique en tous points), la vitesse du métal en phase rapide aux attaques de coulée et enfin l’utilisation ou non du sous vide. Pour chaque paramètre, deux niveaux de réglage (bas et haut) ont été évalués par la simulation : température du métal (bas 635°C et haut 685°C), température du moule (bas 250°C et haut 350°C), vitesse du métal aux attaques en phase rapide (bas 45 m/s et haut 60 m/s) et enfin niveau de pression dans l’empreinte (150 mbar avec sous vide et 1000 mbar sans sous vide).

La simulation de remplissage et les critères d’arrêts du métal

Les différents essais de simulation de remplissage ont été réalisées en différences finies. Pour appréhender l’ « arrêt de remplissage », on s’est donné deux critères d’arrêts : une pression dans l’empreinte excédant 600 bars (la pression maximale de la machine) près de l’attaque de coulée (premier point de suivi) et une température au front de métal passant en dessous de la température de solidus (solidification totale) de l’alliage, empêchant l’avancée du métal.

Augmentation de la pression empreinte

Augmentation de la pression empreinte en fonction du passage des coudes de la pièce.
Augmentation de la pression empreinte en fonction du passage des coudes de la pièce.

On s’aperçoit que la pression d’empreinte près de l’attaque de coulée (point de suivi virtuel) augmente très rapidement à chaque passage métal d’un coude de l’éprouvette. Si la pression est relativement faible au 1er coude, elle augmente progressivement lors du passage du deuxième puis du troisième coude. En effet, le passage du 2eme et du 3eme coude s’effectue avec une plus faible température, une plus forte viscosité de l’alliage et enfin une plus faible pression.

Taux de remplissage de la pièce fonction de l’épaisseur

Taux de remplissage pièce fonction de l'épaisseur de pièce selon deux critères.
Taux de remplissage pièce fonction de l’épaisseur de pièce selon deux critères.

Nous avons comparé, dans un premier temps, le taux de remplissage de la pièce en fonction de son épaisseur pour les 4 paramètres d’injection à leur niveau bas (Talliage = 635°C, Tmoule = 250°C, Vmétal= 45 m/s et pas de sous vide). Pour les faibles épaisseurs de pièces (inférieur ou égal à 1,5 mm), on s’aperçoit qu’il y a une bonne adéquation entre les 2 critères d’arrêts du métal (augmentation de la pression à l’attaque et atteinte du solidus au front de métal). Par contre, au-delà, il peut y avoir écart important entre les 2 calculs (54.4 % et 76.1 % pour 2 mm d’épaisseur).

Un remplissage corrélé à l’épaisseur de pièce

Taux de remplissage fonction épaisseur de pièce - moyenne des 2 critères.
Taux de remplissage fonction épaisseur de pièce – moyenne des 2 critères.

Si l’on prend une moyenne des taux de remplissage correspondant aux 2 critères d’arrêts, on trouve que le taux de remplissage est linéairement proportionnel à l’épaisseur de pièce (corrélation de 0.99). Le modèle calculé est Taux- remplissage (%) = 33.8 x Epaisseur-pièce (mm) – 5.07. En extrapolant la courbe vers l’origine, cette équation permet de calculer que le remplissage est nul avec une épaisseur de pièce de 0.15 mm. Ce résultat est très cohérent avec la pratique usuelle qui consiste à positionner des tirages d’air de 0.1 à 0.2 mm (pour l’évacuation de l’air) dans le moule. Ces tirages d’air permettent le passage de l’air, mais pas celui du métal qui se solidifie quasi instantanément.

Importance des paramètres d’injection

Influence des paramètres selon deux critères pour la pièce de 1,5 mm.
Influence des paramètres selon deux critères pour la pièce de 1,5 mm.

Nous avons ensuite investigué l’influence des paramètres de fabrication sur le taux de remplissage pour une épaisseur de pièce de 1.5 mm. Les résultats (tableau ci-dessus) mettent en évidence les deux paramètres majeurs (température du moule et sous vide) et les deux paramètres de moindre importance (température métal et vitesse d’injection à l’attaque). La température du moule a le plus d’impact (entre 250°C et 350°C) sur le taux de remplissage de la pièce test. Cependant l’écart est très important si l’on considère le critère « arrêt à 600 bars » (54.5 % de remplissage) ou le critère « arrêt si le front est solide » (78.3 % de remplissage). Le sous vide intervient ensuite en deuxième position. Il permet de plus d’améliorer sensiblement le remplissage des parties massives (bossage) de pièce. Ensuite la température du métal permet d’améliorer le remplissage. Il faut noter cependant que nous l’avons fait varier de 100°C (entre le niveau bas et le niveau haut). Enfin, la vitesse d’injection aux attaques (entre 45 et 60 m/s) a le rôle le moins important. Cela peut sembler paradoxal mais il est connu cependant que des fortes vitesses d’injection ne sont pas préconisées en production au-delà de 50 m/s car elles sollicitent fortement le moule (collage, infiltration du métal).

Amélioration du remplissage des bossages avec le sous vide

Remplissage de bossages avec et sans sous vide dans le moule.
Remplissage de bossages avec et sans sous vide dans le moule.

Le sous vide permet en outre d’améliorer sensiblement le remplissage des parties massives comme les bossages. En effet, l’absence de contre pression d’air facilite la bonne venue de ces parties.

Conclusions

La simulation de remplissage permet de réaliser des essais virtuels en faisant varier de multiples paramètres (épaisseur de pièce, température, vitesse, …) et d’analyser les résultats avec des capteurs virtuels (pression, température de métal). De plus, ces essais de simulation de remplissage ne perturbent pas la production industrielle, ne nécessitent pas d’outillages ou d’étapes de dépouillement complexes et longues. Ils peuvent nécessiter cependant un recalage avec des essais réels pour valider in fine des conditions d’essais sur pièces industrielles.

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