Le co-design d’une pièce de fonderie

Le co-design d’une pièce de fonderie doit s’appuyer sur une méthodologie. Le Cetim et le CTIF ont développé cette approche et l’ont appliquée à une pompe moulée. Cet article explicite la démarche suivie, les outils méthodologiques déployés et les calculs ou les simulations numériques réalisés qui permettent de consolider ce type de démarche.

Un besoin d’outils méthodologiques

Système d'alimentation - grappe - simulation numérique.
Système d’alimentation – grappe – simulation numérique.

Les industriels, utilisateurs de pièce de fonderie, ont remontés le besoin d’outils sur lesquels ils pourraient s’appuyer pour aborder plus sereinement les étapes de mise au point d’une fabrication avec leurs fournisseurs. De plus, ils ont exprimés le besoin complémentaire de mieux appréhender les différentes typologies de défauts auxquels ils sont confrontés pour être en mesure de définir des critères d’acception répondants aux spécifications du client final. Cette définition est d’une manière générale réalisée par retour d’expérience avec des ajustements de paramètres effectués successivement après analyses des résultats des essais non destructifs et destructifs des pièces prototypes. Ces étapes sont pénalisantes en termes de coûts et de temps de développement, notamment dans le cas de conception de pièces pour de petites ou moyennes séries.

Une démarche d’optimisation du co-design des pièces de fonderie

Co-design de corps de pompe moulé.
Co-design de corps de pompe moulé.

Pour répondre à cette demande, le Cetim et CTIF ont proposé et appliqué une démarche d’optimisation de co-design des pièces de fonderie. Les secteurs industriels concernés sont nombreux comme par exemple celui des pompes, de la robinetterie, des machines-outils, des transmissions mécaniques ou encore des machines agricoles. Cette démarche s’est décomposée en différents étapes clés : une matrice de choix du couple alliage / procédé de fonderie, la rédaction d’une spécification d’aide à la conception des pièces de fonderie puis le co-design des pièces de fonderie, ensuite l’étude de moulage et la définition des systèmes de masselottage et de remplissage et enfin la rédaction de trames de cahiers des charges d’approvisionnement de pièces de fonderie.

Une pompe en fonte ou en acier

L’application a porté sur un corps de pompe actuellement produit en fonte ou en acier en fonction de son utilisation. Le cahier des charges fonctionnel de la pompe spécifiait une étanchéité 2 bars à l’air avec une absence de perte de pression (10 min – 0,1 bar), une mise en eau (avec absence de l’apparition de bulles). Les épaisseurs de la pièce devaient être entre 5 mm et 15 mm (en version inox) avec une température d’utilisation entre -20°C et 120°C. L’absence de ductilité des pompes en fonte n’étant pas aujourd’hui un paramètre majeur dans la fonctionnalité de la pièce, les pompes en acier inoxydable et en fonte travaillant dans les mêmes conditions, l’allongement et la résilience n’ont donc pas été sélectionnés comme facteur de choix dans la matrice matériaux pour la suite du projet.

Alliages actuels fonte et acier.
Alliages actuels fonte et acier.

Rappelons que l’acier 304L – X2CrNi18-9 (Norme NF EN 10088) correspondant à la nuance GX2CrNi19-11 dans la norme des aciers moulés résistant à la corrosion (NF EN 10283) et que le 316L – X2CrNiMo 17-12-2 (Norme NF EN 10088) correspondant à un alliage GX2CrNiMo19-11-2.

Le choix du matériau et du procédé de fonderie

Co-design -bilan des matériaux évalués pour la fabrication de la pompe.
Co-design -bilan des matériaux évalués pour la fabrication de la pompe.

Dans un premier temps, on doit choisir le meilleur couple matériau / procédé en fonction des conditions de fonctionnement de la pompe. Le choix du matériau se fait tout d’abord au travers d’une matrice de choix où apparaissent les différentes solutions envisageables et les différentes critères de choix (avec ou sans pondération) : les caractéristiques mécaniques (Rm, Rp0.2, allongement), la tenue à la corrosion, la soudabilité, l’usinabilité et enfin le coût relatif. La nuance actuelle et les nuances alternatives sont ainsi passées en revue et noter avec un critère de pondération. Chaque critère (le Rm et le Rp0 .2 par exemple) est transformé en une note (1 à 3 ou 1 à 4 selon les étendues de variation) et ces notes individuelles sont ensuite sommées (avec un critère de pondération ou non) pour donner une notation globale qui traduit l’adéquation technico-économique du matériau à la fonction visée.

Pour les pompes, pour un milieu type eau potable, les nuances GX12Cr12 et GX7CrNiMo12-1 sont suffisantes. Pour un milieu eau potable plus agressif (en présence ponctuelle de chlore par exemple), l’acier GX4CrNiMo16-5-2 est une bonne solution pour se substituer à l’inox 304L. Enfin, pour un milieu type eau de mer, les aciers duplex sont de bons candidats.

Matrice de choix des procédés

Comparatif process - volet technique.
Comparatif process – volet technique.

Ensuite, pour retenir le procédé le plus approprié parmi divers procédés – dans le cas présent le moulage sable à vert ou en prise chimique et le moulage en cire perdue -, la matrice de choix associée est composée de nombreux critères technico-économiques tels que les données générales de la pièce, la géométrie de la pièce, l’outillage, le moulage, la fusion, le parachèvement, l’usinage. Un graphique des cotations permet ainsi une analyse plus aisée des points forts et faibles de chaque procédé. Cette matrice met en évidence le choix technico-économique le plus favorable qui dans notre cas était le moulage sable à vert. A l’inverse, cette représentation permet également d’identifier les procédés les moins pertinents voire rédhibitoires.

Co-design de la pièce

L’étape suivante de la démarche a été menée via des échanges entre le donneur d’ordre et le fondeur visant à trouver le meilleur compromis de tracé de pièce pour éviter l’apparition de défauts. Les dernières zones critiques identifiées seront compensées par un système de masselottage dont l’efficacité a été idéalement validée par la simulation.

Co-design - Pompe - étude de moulage - 4 zones critiques de pièce.
Co-design – Pompe – étude de moulage – 4 zones critiques de pièce.

Dans notre cas, quatre zones critiques ont ainsi été mises en évidence. La modification du tracé associée à la mise en place de refroidisseurs, mais aussi une revue du système de masselottage,ont ainsi permis de traité ces zones.

Etude de moulage

Co-design de pièce - Vue de l’assemblage des noyaux - étude de moulage.
Co-design de pièce – Vue de l’assemblage des noyaux – étude de moulage.

Dans une dernière étape, le fondeur doit dimensionner le système de remplissage qui sera idéalement validé par simulation numérique. Afin d’apporter des éléments techniques sur le remmoulage des noyaux, CTIF a proposé une vue de l’assemblage des noyaux du corps de pompe.

Matrice de choix du sens de moulage de la pompe.
Matrice de choix du sens de moulage de la pompe.

L’intérêt d’une démarche de co-développement

Co-design - Vue de solidification de la grappe de pièce avec son système de remplissage.
Co-design – Vue de solidification de la grappe de pièce avec son système de remplissage.

Les outils déployés s’avèrent primordiaux pour aborder plus sereinement les échanges entre les bureaux d’études et les fournisseurs. Il est d’ailleurs préconisé de les intégrer le plus en amont dans une démarche dite de « co-développement ». La complémentarité entre le Cetim et CTIF s’est pleinement illustrée dans la réalisation de cette étude en répondant aux besoins spécifiques des industriels mécaniciens confrontés à la mise en œuvre des procédés de fonderie. Les outils mis à disposition des bureaux d’études, pourront ainsi être transposés aisément en fonction de leurs applications respectives et permettront d’aborder plus sereinement leurs développements futurs.

Le Cetim et le CTIF ont développé cette approche et l’ont appliquée à une pompe moulée dans le cadre d’un projet d’intérêt collectif.

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