Journée Moules et Outils 2019

Moules et outils 2019 - Ecole des mines d'Albi Carmaux.

Moules et outils 2019 - Ecole des mines d'Albi Carmaux.

Les 10 et 11 octobre 2019, se tenaient à l’Ecole des Mines d’Albi Carmaux (IMT) les 4ièmes journées Moules et Outils. Co-organisée par A3TS (Association de Traitement Thermique et de Traitement de Surface), le CEM (Cercle d’Etude des Métaux) et l’ICA (Institut Clément Ader), cette manifestation se déroule tous les 4 ans (depuis 2007 sous cette forme) et donne l’occasion aux participants d’échanger sur les évolutions techniques dans le domaine des métaux et des moules. Cette année, près de 70 participants (dont 70 % d’industriels) ont pu écouter 27 présentations techniques réparties en 5 thématiques (évolution des nuances, simulation numérique et intelligence artificielle, conception et design des outillages, dégradation des outillages et traitement thermique et traitement de surface). Deux tables rondes étaient organisées, respectivement sur la fabrication additive et l’intelligence artificielle.

Les évolutions des nuances de moules

Pierre Blanchard (Erasteel) présentait les évolutions, depuis 50 ans, de la qualité et des propriétés des aciers rapides élaborés par la métallurgie des poudres. Les premières atomisations ont été développées en 1969 et ont permis d’obtenir des nuances (ASP 23, ASP 30, ASP 60, …) aux microstructures beaucoup plus homogènes et isotropes qu’auparavant. Après atomisation, la poudre est compactée (CIC). Avec le procédé Dvalin (2005), les contaminations exogènes ont diminuées d’un facteur 100 et les inclusions ont été réduites (taille, nombre). Depuis 2012, le niobium a remplacé le vanadium (carbures plus fins) sur la nuance ASP2055 et l’optimisation du traitement thermique sur la nuance ASP2012 a permis d’obtenir des propriétés remarquables en termes de résilience (> 60 J) et de dureté (64 HRC).

Acier Superplast Premium - source Industeel.
Acier Superplast Premium – source Industeel.

Roxane Trehorel (Industeel Le Creusot) présentait les résultats d’étude sur l’acier Superplast Premium, qui présente une alternative aux aciers refondus sous vide ESR (Electron Slag Remelting) pour des applications de tôle fine. Cet exposé montrait qu’il est possible d’obtenir des propriétés mécaniques comparables à l’ESR (dureté, absence de macro-ségrégation, faible teneur en oxygène, silicium, aluminium et soufre, état de surface) sans refusion sous vide. L’acier Superplast Premium utilise la solidification dirigée.

Anna Fraczkiewicz (EMSE – Ecole des Mines de St Etienne) exposait ses travaux sur les HEA (High Entropy Alloys) et les CCA (Compositionnaly Complex Alloys). Le concept de HEA a maintenant 15 ans. Par rapport aux alliages traditionnels qui ont une base d’un métal majoritaire (base fer, base aluminium, base titane), les HEA sont des alliages dans lesquels les éléments d’alliages sont nombreux (supérieurs ou égal à 5 en théorie) et de quantité équivalente. Le premier HEA historiquement développé, dit HEA de Cantor, et de composition CoCrFeMnNi contient ainsi 20 % de chaque phase. Les HEA, dont il existe au moins 5 grandes familles, ont pour intérêt leur grande stabilité thermique, ce qui les prédisposent pour des applications en température extrème (aéronautique, énergie, nucléaire, …). Cette stabilité est liée à plusieurs causes : la distorsion du réseau atomique, la stabilisation de la solution solide et la diffusion atomique très ralentie (cinétique de transformation de phase très lente). Plus récemment, les CCA sont un domaine de travail important sur la base de l’alliage de Cantor. Enfin, il est a noter que la fabrication additive s’intéresse aussi aux HEA et CCA, qui sont plus stables et moins sujets aux transformations sous les hautes énergies (faisceau laser).

La société Voestalpine (Horst Zunko), quant-à-elle, présentait un nouvel acier maraging, développé pour la fabrication additive SLM sur la base du 13-8PH. Les résultats, après atomisation (Vacuum Induction Melting Gaz Atomization) et production de pièces imprimées montrent des caractéristiques intéressantes de dureté 50-54 HRC, de propriétés mécaniques (Rm de 1780-1880 MPa, Rp0.2 de 1740-1810 MPa, allongement 4,5-7,5 %) et une résilience de 6-14 J. Les caractéristiques sont anisotropes – phénomènes classiques en SLM – d’où la dispersion des résultats et semblent peu sensibles à de faibles variations de paramètres de lasage. Enfin, la tenue à la corrosion serait meilleure qu’un acier martensitique.

HTSC-130 DC - source Rovalma.
HTSC-130 DC – source Rovalma.

Ensuite, Pierre FERRER, de l’aciériste ibérique Rovalma, présentait les résultats atteints sur moules avec les aciers à haute conductivité thermique HTCS. La conductivité de 60 W.m.K-1 (HTSC-130 DC) permettrait de réduire de 30 % environ le temps de cycle en fonderie sous pression aluminium et de 22 % en plasturgie (Fastcool-20). Rovalma produit également, depuis 2015, de la poudre en HTCS pour la fabrication additive (éléments de moules, …). La vitesse d’impression serait accélérée (X 6 par rapport à un acier conventionnel) liée à la meilleure évacuation de la chaleur en cours de construction de la pièce.

Jens Bergstrom (Karlstadt University) exposait des travaux de R&D issus du projet collaboratif AMHIPP (Advanced Material for High Performance Products). Des mesures thermiques sur éprouvettes cylindriques refroidies par circulation interne ont permis de mesurer le choc thermique lors de l’injection. Des essais sur aciers Uddeholm AB (Dievar et QRO90) et l’utilisation des diagrammes d’Ashby ont permis de mettre en évidence que la stabilité de la microstructure à chaud était en particulier liée à la résistance aux chocs thermique des carbures (MC, M6C, M23C5, …).entrant dans la composition de ces aciers. Il était souligné le manque de références bien documentées (type fatigue data collection de Bergstrom Farhad Rezaï-Aria/ 2006) sur la tenue aux chocs thermiques des aciers issus de la fabrication additive.

La simulation numérique et l’intelligence artificielle

Algorithme génétique - Source Univ. de Nantes.
Algorithme génétique – Source Univ. de Nantes.

Franck Tancret (Université de Rennes) présentait l’utilisation des algorithmes génétiques appliqués à l’Alloy Design (conception d’alliages innovants). En préambule, il rappelait que le trop grand nombre d’éléments du tableau de Mendeleïev et le nombre de compositions chimique possibles excluaient d’étudier numériquement la totalité des alliages (5050 combinaisons possibles). Les algorithmes génétiques reproduisent la sélection naturelle darwinienne. Les gènes sont remplacés par la composition chimique et les caractéristiques morphologiques (la longueur du cou d’une girafe, adaptée pour aller manger des feuilles très hautes) remplacées par les caractéristiques fonctionnelles de l’alliage (Rp0.2, tenue à la corrosion, densité) où le coût de l’alliage. A partir de 2 « alliages mères», on crée des populations d’alliages enfants (à la composition qui résulte des 2 parents) et également des mutations au hasard de certains éléments d’alliages. Ce double processus de reproduction (des meilleurs enfants) et de mutation va faire émerger de nouvelles formulations. Pour évaluer les propriétés des alliages enfants, on utilise l’approche Calphad (ThermoCalc), des bases de données, du data mining (machine learning) et des modèles physiques (modèle de coût, …). Cette approche a permis de développer des alliages base nickel, des HEA ou des alliages d’aluminium.

Moule d'injection avec circuits internes complexe - Itechmould - source ARRK
Moule d’injection avec circuits internes complexes – I-Tech Mould – source ARRK

Hervé MOTTE (ARRK Shapers France) présentait les résultats du projet I-Tech Mould conduit avec CT-IPC, les fondeurs Cast-Metal et FPSA, CTIF et le lycée Hector Guimard pour des moules plastiques, de fonderie et la mise en forme des composites. Le Conformal Cooling allié à la fabrication additive indirecte (noyaux sables prototypés et coulée de blocs de moule en acier au CTIF) a permis de réaliser des démonstrateurs pour les différents industriels du projet. Des gains sur les temps de cycle (de 15 à 25 %) ont été enregistrés en production avec un meilleur dimensionnel des pièces (température d’outillage plus homogène). Des outils numériques métiers ont également été développés. Le projet OUMOUSS, avec les mêmes partenaires, est une suite du projet I-Tech Mould et va développer l’utilisation des structures lattices (par voie fonderie) pour augmenter l’efficacité thermique des circuits de refroidissement internes des moules.

Thomas Péret (IRT Jules Vernes / Nantes) présentait une étude sur la maîtrise de la montée en température d’un moule de formage dans le cadre du projet SITCOM (avec Airbus, ABC et L’Ecole des Mines d’Albi). Des lois de comportement visco-élasto-plastique couplées à des vérifications expérimentales (essais de traction) ont été développées. Des cartographies des contraintes de l’outillage ont été réalisées et ont mis en évidence que la pratique de fermeture du moule pendant la phase de chauffe n’était pas la plus pertinente. Le chauffage moule ouvert est paradoxalement plus rapide, limite les gradients thermiques et permet d’obtenir une température plus homogène.

Patrick Hairy de CTIF (Centre Technique des Industries de la Fonderie) présentait les différents outils utilisables en métallurgie en intelligence artificielle : les systèmes experts, les réseaux de neurones (machine learning) et les jumeaux numériques. Si les systèmes experts et le machine learning commencent à être des technologies matures, les jumeaux numériques sont plus récents (concept de 2002). Cette dernière technologie, après une phase en amont de simulation numérique multi-physique dans un périmètre bien circonscrit, va consister à développer une réduction de modèle (MOR pour Model Order Reduction) qui va pouvoir donner des réponses en temps réel et interagir dans certains cas avec le jumeau réel (la machine, le moule, …). CTIF travaille sur ces technologies avec des partenaires (ESI, ….).

PamStamp - quoting module - source ESI.
PamStamp – quoting module – source ESI.

Julien Charbonneaux (ESI France) présentait la suite logicielle PAMSTAMP permettant de simuler toute la gamme d’opérations de l’estampage de tôles depuis le chiffrage du coût pièce jusqu’au calcul de simulation de la mise en forme en passant par la conception de l’outillage. En particulier, PAMSTAMP réalise un couplage de la simulation de la mise en forme avec la simulation de la déformation de l’outil de formage. De plus, l’option « Die Spoting » tient compte de l’amincissement de la tôle dans la conception du moule. ESI annonçait également un nouveau produit sur la simulation du procédé de fabrication additive métallique.

Conclusions

Cet article consacré aux journées Moules Outils 2019 reprend les communications des deux premières thématiques parmi les 5 discutées pendant ces 2 jours. Un article plus complet  a été publié dans MetalNews, la lettre d’information technique de CTIF. 

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