La fonderie expérimentale de CTIF au service de la R&D

la fonderie expérimentale de CTIF au service de la R&D.

la fonderie expérimentale de CTIF au service de la R&D.

Si l’apport et la place des outils numériques sont devenus très importants dans le développement des nouvelles métallurgies et des nouveaux produits, le passage en phase expérimentale et la réalisation de pièces prototypes sont indispensables pour valider tout développement. La fonderie expérimentale de CTIF, à Sèvres, en région parisienne, permet de disposer de moyens d’élaboration et de moulage semi-industriel, entre l’échelle du laboratoire et l’échelle industrielle.

Les moyens de la fonderie expérimentale

La fonderie expérimentale de CTIF dispose de moyens dédiés à la mise au point et à la R&D permettant de réaliser un grand nombre de métallurgies et de procédés de fonderie. Elle est ainsi équipée en moulage sable à prise chimique, en moulage coquille et en moulage cire perdue (carapace et bloc plâtre). Les métallurgies couramment élaborées sont la fonte, l’acier, l’aluminium, les alliages de cuivre, le magnésium et les superalliages.

Le laboratoire de retraitement des sables

CTIF s’est équipé récemment d’un atelier de traitement et de recyclage des sables pour tester et évaluer de nombreuses technologies (traitement mécanique, thermique, par ultrasons, …) sur des petits volumes. Cet atelier permet de reproduire le recyclage d’installations industrielles de plus grand volume mais avec une maîtrise accrue du process et une caractérisation fine du sable traité (gangue de liant, forme des particules de sable, évolution des fines et de la granulométrie, …). En particulier y est étudié le recyclage des sables à liants inorganiques.

L’atelier cire perdue

L’atelier cire perdue, régulé en température et en hygrométrie est équipé de 2 cuves de barbotines (silice colloïdale), de 3 stuccos, d’une zone de préparation des grappes (collage des cires), d’un autoclave de décirage et d’un tunnel de séchage des grappes en conditions aérauliques contrôlées.

Tunnel de séchage des grappes - atelier cire perdue CTIF.
Tunnel de séchage des grappes – atelier cire perdue CTIF.

La réalisation de noyaux en liants inorganiques

La machine à tirer les noyaux de la fonderie expérimentale est équipée en liant organique et en liant inorganique. Cette dernière technologie est en effet prometteuse du point de vue environnemental pour les alliages non ferreux et pourrait à terme, prendre une part de marché non négligeable sur les technologies organiques.

Pourquoi une fonderie expérimentale ?

La fonderie expérimentale de CTIF permet de réaliser de multiples activités : caractériser des matériaux et produits de fonderie, mettre au point un nouveau process, réaliser des éprouvettes de caractérisation, obtenir des données matériaux pour la simulation numérique, réaliser des pièces prototypes ou des pièces en petites séries ou encore élaborer de nouvelles métallurgies. Nous détaillerons tous ces points dans la suite.

Caractériser des produits et matériaux de fonderie

L’industrie de la fonderie utilise de nombreux produits et matériaux (sable, poteyage, enduits, manchons, flux de nettoyage des alliages liquide, laitiers, inoculants…) qu’il s’agit de mieux connaitre et caractériser (tenue en température, efficacité, reproductibilité des résultats, …) pour une utilisation optimale, pour mettre au point de nouveaux produits ou pour rédiger des fiches techniques pertinentes. Cette caractérisation est souvent très délicate sur un site de production, faute de temps, de méthodologie rigoureuse, de suivi ou de moyens de mesure suffisants. Des plans d’essais sont ainsi plus facilement conduits dans un contexte semi-industriel lors de fusions d’essais dédiés et instrumentés. Les résultats sont restitués aux clients en précisant le mode opératoire et CTIF évalue en première approche les avantages et limitations de chaque produit testé et met en évidence si besoin les pistes d’amélioration.

Mettre au point un nouveau procédé de fonderie

Fusion d'alliage spécifique pour la fabrication additive métallique.
Fusion d’alliage spécifique pour la fabrication additive métallique.

CTIF utilise ses moyens pour développer des nouvelles technologies de fonderie (fusion, moulage ou recyclage) dans le cadre de R&D collaborative ou de R&D privée. On peut ainsi citer la technologie des mousses métalliques par voie de fonderie (projet ANR Foam et projets collectifs CTIF), le développement d’éléments de moule en acier par fabrication additive indirecte (projet I-Tech Mould) ou des projets privés mettant en œuvre des composites à matrice métallique (particules de céramiques dans une fonte alliée) ou le recyclage de copeaux, de billettes compactées d’aluminium (pour mesurer la propreté des bains après nettoyage au rotor et flux de nettoyage), ou de sables inorganiques (projets « Reginorg » et « Green Life »).

Réaliser des éprouvettes de caractérisation et de défectologie

Afin de caractériser finement les caractéristiques mécaniques en statique ou en dynamique (limite d’endurance) ou la microstructure obtenue, des éprouvettes sont coulées et sollicitées ensuite dans le laboratoire de CTIF selon les besoins du client. On peut ainsi mesurer l’impact de la taille de grain, ou de l’ajout d’un élément d’alliage, ou d’une vitesse de solidification, ou encore la présence d’un agent affinant ou modifiant sur les propriétés fonctionnelles (dureté, tenue en fatigue, tenue au fluage, …, tenue en corrosion). CTIF dispose d’un certain nombre d’outillages (grappe de coulée) déjà existants et peut développer (si besoin) un outillage spécifique. De plus, CTIF a développé une méthodologie de fabrication d’éprouvettes à défauts reproductibles qui permet de quantifier l’impact de ces imperfections (nature, taille, forme, position) sur les caractéristiques mécaniques. Ce type d’étude permet aux donneurs d’ordre d’avoir des critères d’acceptation étayés et plus précis pour avoir un niveau de qualité au juste nécessaire (casting factor mieux maîtrisé).

Le recalage de base de données

Les outils de simulation nécessitent des données d’entrée sur les matériaux particulièrement fiables pour générer en sortie des résultats fiables et prédictifs. Si pour les matériaux standards (fonte GS, AlSi7Mg0.3, …), on dispose de toutes les données nécessaires, des matériaux plus exotiques ou encore en développement nécessitent des mesures expérimentales. CTIF a ainsi développé des éprouvettes de caractérisation et la méthodologie ad-hoc pour recaler les logiciels de simulation de remplissage et de solidification.

La réalisation de prototypes

Le développement de nouvelles pièces nécessite, avant une production en série, le passage par une phase de prototypes fonctionnels qui peuvent être testés sur banc d’essais (ou en conditions de fonctionnement réelles). De nombreux clients font ainsi appel à CTIF pour réaliser l’étude de moulage, réaliser des prototypes et les contrôler (CND, microstructure, …) en phase de R&D ou de présérie. En phase de R&D, il s’agira davantage de tester la faisabilité d’un concept innovant (pièce bimétallique, insertion à la coulée, pièce très fine ou très fortement noyautée, pièce avec des liants inorganiques, composites à matrices métalliques, …). Pour le noyautage interne, CTIF a recours massivement à des noyaux prototypés en impression 3D pour gagner en réactivité et s’affranchir de la réalisation d’un outillage. Pour la réalisation de préséries de pièces, un cahier des charges d’acceptation devra établir les critères d’acceptation des pièces (classe de défauts acceptables…).

La réalisation de petites séries de pièces

La réalisation de pièces en petites séries est également réalisable dans cette fonderie expérimentale. L’objectif étant de produire des pièces souvent complexes ou avec des métallurgies atypiques. Sur la technologie des mousses métalliques, CTIF est amené à réaliser des productions industrielles de pièces en aluminium.

La réalisation de nouvelles métallurgies

Réalisation de prototypes en nouvelles métallurgie au CTIF.
Réalisation de prototypes en nouvelles métallurgies à CTIF.

Enfin, les moyens de fusions de CTIF relativement souples polyvalents (de 1 kg à 250 kg de métal liquide) permettent de réaliser des plans d’essais en vue de mettre au point et d’élaborer des nouvelles métallurgies. Une phase en amont (bibliographie, expert métallique, alloy design avec ThermoCalc) peut être nécessaire afin d’élaborer un plan d’essais expérimental et identifier les verrous techniques à lever (rendements d’introduction, pertes au feu, phénomènes d’oxydation ou de gazage à l’état liquide…). Les moyens de dosage de la composition chimique du laboratoire de CTIF (spectrométrie, fluorescence X, analyse par voie humide) permettent de quantifier les éléments d’alliage et les impuretés présents. Selon le niveau de difficultés (différentiel de température de fusion des éléments d’alliage, retour d’expérience de CTIF, alliage atypique, écart min-max accepté, …, niveau d’impuretés maxi toléré), plusieurs fusions itératives d’élaboration seront nécessaires à la mise au point d’une composition chimique. Avec la montée en puissance de la fabrication additive métallique sur lit de poudre (SLM), et le développement de poudres avec des nuances dédiées, CTIF est amené assez régulièrement à produire des billettes qui seront atomisées chez un partenaire pour réaliser des essais de qualification des paramètres de lasage sur machine d’impression 3D métal.

Mettre la fonderie expérimentale de CTIF à disposition de fondeurs

Si les donneurs d’ordres ne sont pas autonomes dans la conduite d’essais, il n’en est pas de même des fondeurs. Ainsi, certains fondeurs, ne disposant que de très fortes capacités de fusion (>10 tonnes) et souhaitant des élaborations métallurgiques en petits volumes (100 kg), utilisent leurs matières premières, leurs moules (livrés à CTIF deux jours avant par exemple), leurs machines et l’assistance de leur personnel technique lors des essais à CTIF. Cela permet de reproduire au plus près les paramètres de fabrication du fondeur et de pouvoir transposer au mieux les résultats.

Les clients présents aux essais expérimentaux

Les clients de CTIF sont régulièrement présents pour suivre les essais réalisés sur leurs projets pour en mesurer l’avancement, comprendre la méthodologie d’essais, valider un protocole expérimental en direct, valider une composition chimique obtenue avant coulée d’éprouvettes, faire participer leurs équipes de R&D ou anticiper une mise en production.

Conclusions

Au service de projets de R&D, de tests de faisabilité ou de la réalisation de pièces prototypes (ou de petites séries), la fonderie expérimentale de CTIF est un outil pertinent et polyvalent qui s’appuie sur la simulation numérique en amont (préparation du plan d’essais) et le laboratoire de caractérisation de CTIF en aval (mesure de la composition chimique, essais mécaniques, caractérisation microstructurale).

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