Échangeur hydraulique en fabrication additive indirecte

Démonstrateur en fabrication additive indirect.

Démonstrateur en fabrication additive indirect.

Un échangeur hydraulique en alliage de cuivre a été réalisé en fabrication additive indirecte en collaboration avec la fonderie Saint-Rémy Industrie (projet FASSE). Après une étape de calcul et de simulation numérique pour optimiser le système d’alimentation, la phase de mise au point a permis, après une pièce rebutée, d’obtenir une pièce fonctionnelle. L’état de surface initial, qui comportait des strates, a été optimisé avec des strates plus fines et un dépôt d’enduit plus épais sur les moules.

Projet FASSE

Échangeur hydraulique en CuCr1 en fabrication additive indirecte.
Échangeur hydraulique en CuCr1 en fabrication additive indirecte.

L’intégration de l’impression 3D dans une fonderie traditionnelle ne s’improvise pas et requiert des connaissances techniques et des savoir-faire spécifiques : adaptation des études de moulage, simulation numérique, maîtrise de la précision dimensionnelle et des états de surfaces, gestion des gaz, solutions hybrides (moulage traditionnel / impression 3D). Fort de ce constat, l’Union des Fondeurs du Sud-Est (UFSE), CTIF, et le Lycée Hector Guimard ont lancé fin 2017 le projet de recherche FASSE (Fabrication Additive Sable Sud-Est). Ce démonstrateur d’échangeur hydraulique a été réalisé dans le cadre de ce projet FASSE. Nous avions déjà publié sur MetalBlog un article précédent issu du projet FASSE et portant sur la caractérisation des sables (silice, chromite) mis en œuvre en fabrication additive indirect.

L’alliage CuCr1

L’alliage CuCr1 présente la particularité d’avoir un faible intervalle de solidification, inférieur à 10 °C, et une température de Liquidus proche de 1078°C. Un tel alliage, avec un faible intervalle de solidification, présente l’intérêt de concentrer les retassures dans les zones de dernière solidification sans forcément former des micro-retassures dans d’autres zones. A contrario, un alliage avec un fort intervalle de solidification laisserait apparaître également des micro-retassures dans des zones plus minces pouvant pénaliser l’étanchéité des pièces. Un autre intérêt est le faible risque d’apparition de fissures dans les zones se solidifiant tardivement.

La pièce retenue

Les 3 sens de moulage possible pour la pièce.
Les 3 sens de moulage possible pour la pièce.

L’objectif proposé par la fonderie Saint-Rémy Industrie était de réaliser la pièce en fabrication additive indirecte sable et valider ainsi sa qualité (étanchéité, état de surface, …). La pièce, un échangeur hydraulique, d’un volume de 0,55 dm3 , présente des dimensions hors-tout de 77 x 154 x 170 mm permettant de mettre deux pièces au moule. Trois sens de moulage ont été proposés.

Simulation numérique de la solidification

Module thermique de la pièce seule - simulation numérique de solidification.
Module thermique de la pièce seule – simulation numérique de solidification.

Une première série de simulations numériques de solidification a été réalisée sur la pièce seule pour définir les modules thermiques et localiser ainsi les zones de dernière solidification et les retassures en fonction du sens de moulage. Les simulations numériques ont été menées par le CTIF avec le logiciel QuikCAST de ESI.

Prédiction de la localisation des retassures pour les 3 sens de moulage.
Prédiction de la localisation des retassures pour les 3 sens de moulage.

Pour les 3 sens de moulage, 4 zones de retassures (en couleur mauve) sont décelées, et nécessiteront des actions, telle que la mise en place de masselottes sable, de manchons, de refroidisseurs sable ou métalliques ou encore l’adaptation du tracé de la pièce. Une matrice de choix a permis de faire ressortir que le sens de moulage 1 est le plus pertinent avec comme points forts la stabilité du noyau et le remplissage.

Matrice de choix du sens de moulage.
Matrice de choix du sens de moulage.

En conséquence, le tracé de la grappe de coulée a été réalisé en mettant en place un système de masselottage constitué de trois masselottes et un refroidisseur et un système de remplissage constitué d’une descente, d’un canal filtré et de trois attaques.

Grappe de coulée avec masselottes et système d'alimentation.
Grappe de coulée avec masselottes et système d’alimentation.

Une nouvelle simulation numérique de remplissage et de solidification a permis de valider un écoulement du métal sans turbulences majeures, des vitesses du métal inférieures à 0,7 m/s et un temps de remplissage de 4 secondes ainsi qu’une solidification dirigée de la pièce vers les masselottes limitant ainsi les retassures dans la pièce.

Prédiction de la localisation des retassures.
Prédiction de la localisation des retassures.

Réalisation des moules de l’échangeur

Moules avant la coulée.
Moules avant la coulée.

L’étape suivante a été de réaliser 3 moules sable en fabrication additive avec l’imprimante Voxeljet du Lycée Hector Guimard. Les surfaces en contact avec l’alliage de coulée ont été revêtues avec un enduit à l’alcool à base de talc pour limiter les réactions moule-métal. Les températures de coulée des moules ont été comprises entre 1340 et 1360 °C. Après décochage (photo ci-dessous), une bavure au niveau du plan de joint a été constatée, non attribuable au mode de fabrication (impression) des mottes mais plutôt à un chargement insuffisant des moules lors de la coulée.

Grappe après coulée - gros plan avec bavure.
Grappe après coulée – gros plan avec bavure.
Noyau interne en fabrication additive - VoxelJet.
Noyau interne en fabrication additive – VoxelJet.

On constate également un état de surface correct des faces internes et dégradé des faces externes avec notamment les strates d’impression visibles. Une fabrication des moules avec des strates plus fins et un dépôt d’enduit plus épais sur les moules a permis d’améliorer l’état de surface.

Optimisation du système d’alimentation

Défaut interne avant et après modification du système d'alimentation.
Défaut interne avant et après modification du système d’alimentation.

Une optimisation du système d’alimentation a également permis d’éliminer la trace de retassure qui était présente lors de la première coulée.

La mise au point du produit peut donc être intégrée au fur et à mesure du développement de la pièce ou du design de l’échangeur. Cette amélioration a été confirmée après analyse radiographique.

Conclusions

Le développement du démonstrateur d’échangeur par le biais de la fabrication additive sable a prouvé tout son intérêt notamment sa forte adaptabilité. En effet, il est permis de modifier l’étude de moulage au sens large, tel le plan de joint, la définition des noyaux et des systèmes de masselottage et de remplissage et ce, sans impacter de manière significative le coût final. La fabrication additive sable est complémentaire des autres procédés de fonderie notamment pour des petites séries ou des géométries modifiables.

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