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Élément de moule en conformal cooling indirect - moule CTIF.

Le Conformal Cooling permet de réaliser des circuits de refroidissement avec des formes très complexes au plus proche de la géométrie de l’empreinte d’un moule métallique, notamment pour la fonderie sous pression. Les éléments de moule avec des circuits en Conformal Cooling peuvent être réalisés en fabrication additive directe (SLM) ou par fabrication additive indirecte (moulage en sable). Après un rappel de la technologie de fonderie sous pression et des outillages utilisés, nous détaillerons les 2 technologies de fabrication utilisables pour le Conformal Cooling.

La fonderie sous pression

La fonderie sous pression est le procédé le mieux adapté à la production de pièces en grande et très grande série aluminium. Elle permet une grande précision dimensionnelle et des formes complexes (near-net-shape casting). Cette technologie, très développée dans le secteur automobile et dédiée aux alliages non ferreux (aluminium, magnésium, cuivreux, …), consiste à injecter l’alliage à grande vitesse (40 à 60 m/s) dans un moule en acier fixé sur une presse et à appliquer une pression importante (de 70 jusqu’à 120 MPa) pendant toute la durée de la solidification.

Les moules d’injection

Pour la réalisation des outillages, la nuance d’acier la plus utilisée est l’acier X38CrMoV5 (H11) avec une dureté comprise entre 43 et 48 HRC suivant la taille et la géométrie de l’empreinte. Cet acier possède de nombreuses caractéristiques d’usage : une conductivité thermique élevée, une faible dilatation thermique, une bonne résistance mécanique à chaud, une bonne ductilité, une excellente ténacité, une dureté adéquate, une microstructure (austénite / martensite) stable à chaud et enfin une faible réactivité chimique avec l’environnement (oxydation, …).

Les sollicitations de l’outillage

Les sollicitations subies par l’empreinte du moule lors de l’injection du métal sont dues principalement à la vitesse et la pression exercées sur le métal, aux chocs thermiques, aux attaques chimiques et enfin aux chocs mécaniques.

La fatigue thermique en surface

Pendant le cycle de fabrication,  le moule subit 2 chocs thermiques. Un premier choc au moment de la phase de compression, juste avant la solidification de la pièce (c’est le pic de température). Le gradient de température en surface d’empreinte (par rapport aux couches d’acier en profondeur) peut atteindre plus de 350°C (pour l’injection d’aluminium) en quelques centièmes de secondes. Le second choc se rencontre pendant la phase de poteyage. L’empreinte qui est encore à une température élevée (environ 300 à 350°C pour l’aluminium) est refroidit brutalement avec un lubrifiant à base d’eau. Le poteyage qui a pour fonction principale la protection et la lubrification de l’empreinte sert aussi de régulateur pour la température du moule. La durée de cette phase représente entre 25 et 35 % du temps de cycle total. La surface de l’empreinte est alors refroidit brutalement. La répétition de ces cycles est la cause principale de la dégradation des empreintes, liée à une succession de contraintes de traction-compression en surface.

La régulation de la température du moule

La régulation thermique des moules permet de réduire l’impact des effets de ces chocs thermiques sur la durée de vie des outillages. Elle permet en effet de limiter sensiblement l’amplitude et la durée des chocs thermiques. Or, le mode traditionnel de réalisation des circuits de refroidissement (ou de thermorégulation), qui consiste à faire des perçages dans les blocs empreintes, ne permet pas une régulation optimum avec des canaux qui suivraient de près le contour de la géométrie des empreintes. Une des solutions actuelle consiste à faire des empreintes morcelées. Ainsi, au lieu de réaliser une empreinte monobloc, on la réalisera façon « puzzle ». L’empreinte sera alors constituée de plusieurs parties rapportées, ce qui facilitera l’optimisation des circuits de régulation du moule et un entretien plus facile. Le morcèlement des empreintes permet aussi de limiter les contraintes dues aux chocs thermiques et d’augmenter leur durée de vie.

Le Conformal Cooling

Le Conformal Cooling consiste à positionner, à l’aide de procédés de fabrication additive, des canaux de régulation optimums de formes complexes et gauches afin d’avoir un refroidissement homogène et le plus rapide possible sur l’ensemble de l’empreinte. Cette technique permet de diminuer les temps de cycle pour les pièces de grandes tailles, de diminuer les variations de cotations (capabilité process Cmk, Cpk) et d’améliorer les caractéristiques d’écoulement (diminution des pertes de charges, augmentation du débit) dans les canaux de refroidissement.

Les avantages et limitations du Conformal Cooling par fabrication additive directe

Le Conformal Cooling par fabrication additive directe est à l’heure actuelle principalement utilisée par la plasturgie pour des empreintes de petites dimensions ne subissant pas de contraintes thermiques importantes. Les dimensions fabricables par SLM sont en effet limitées (250 x 250 x 300 mm environ) et ne permettent donc pas de mettre en oeuvre le Conformal Cooling pour les éléments de moule de grandes tailles. Le temps de fabrication est également très important (plusieurs dizaines d’heures) ainsi que les surcoûts engendrés par rapport à un mode de fabrication traditionnel. Certains aciéristes sont en phase d’essai sur certaines nuances d’aciers type H13 en SLM plus proches des besoins de la fonderie sous pression. L’intégration de la technologie du Conformal Cooling en fonderie sous pression permettra de réduire la durée des chocs thermiques durant la phase de solidification ainsi que durant la phase de poteyage : cette phase sera ainsi limitée à la lubrification et à la protection des empreintes et non plus à leur refroidissement. Cette thermorégulation optimisée pourra permettre également de retarder l’apparition du faïençage qui est à l’origine du vieillissement des empreintes.

Le projet ITechMould

En collaboration avec différents partenaires (IPC, ARRK, SAFE METAL, FPSA, ENISE, IDPRO), le projet FUI ITecMould avait pour objectif de développer une méthode innovante de fabrication d’outillages (moules) optimisés thermiquement aussi bien destinés à l’injection plastique qu’à la fonderie sous pression en exploitant le potentiel de la fabrication additive indirecte sable, permettant la réalisation d’outillages de grandes dimensions dans des nuances d’acier similaires au X38CrMoV5. Les logiciels d’aide à la conception comme Moldtherm, MCool et HydroMold associés aux logiciels de simulations (QuikCast et TherCast) ont permis des conceptions type Confomal Cooling des canaux de régulation générant ainsi des améliorations notables (moindre propagation de la chaleur de la pièce, refroidissement plus rapide, présence limitée des défauts type « retassures »).

Le principe de fabrication

Le bloc empreinte du moule (partie fixe et partie mobile) est réalisé en fabrication additive indirecte : il est obtenu par voie de fonderie à partir de moules et noyaux réalisés par impression 3D. Les noyaux internes vont permettre de réaliser directement les circuits de thermorégulation et de leur donner des formes gauches complexes impossibles à réaliser en usinage. Il est à noter que la fabrication additive indirecte en sable impose des précautions qui portent en particulier sur les dimensions des canaux (diamètre mini, longueur libre maxi et distance entre les canaux).

Les nuances d’acier

La nuance d’acier utilisée pour le moulage des empreintes est un acier à outillage X38CrMoV5. Pour comparer la tenue à la fatigue thermique de cet acier, obtenu par moulage, à un acier laminé standard, la machine Thermocracks a été utilisée. Cet appareil permet de comparer différentes nuances d’alliages (acier ou autres).

Les résultats obtenus

Les résultats obtenus sont très encourageant, avec la réalisation démontrée d’une empreinte de moule (290 X 230 X 100 mm) avec des circuits de régulation étanches. Plusieurs points restent perfectibles comme le contrôle de l’intégrité des circuits de régulation ainsi que les dimensions maximales qui peuvent être réalisée. A ce stade, il convient de limiter la taille des empreintes – 80 à 100 kg de métal coulé maximum – car au-delà il y a risque de casse des noyaux internes. Les noyaux doivent être protégés pendant la coulée (enduit ou céramisation) pour éviter leur dégradation en surface (infiltration de métal pouvant mettre en cause l’intégrité des canaux). Des supports de noyaux doivent être positionnés pour assurer leur résistance mécanique lors de la coulée et permettre le contrôle des canaux par endoscope. Les canaux doivent être éloignés de la surface d’empreinte (> 10 mm) pour éviter les risques de fuite pendant l’injection.

Le potentiel du Conformal Cooling

Qu’elle utilise la fabrication additive directe ou indirecte, la fabrication d’éléments de moule de fonderie sous pression avec des circuits de type Conformal Cooling offre un potentiel de maitrise de la thermique du moule important. Les gains peuvent concerner l’augmentation de la durée de vie de zones très sollicitées, la diminution des temps de cycle (par diminution du temps de solidification) ou la suppression de points chauds (et de défauts de type retassures) dans les pièces. Pour en tirer le maximum, le Conformal Cooling nécessite une re-conception de l’élément et en particulier la simulation numérique de la thermique de l’outillage pour positionner au mieux les circuits de refroidissement internes.