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Simulation de la thermique du moule - circuits d'eau avec plusieurs configurations

En fonderie d’alliage d’aluminium, on utilise très souvent des outillages métalliques (moulage coquille, basse pression ou fonderie sous pression) pour les moyennes ou grandes séries de pièces automobiles. Un outillage mal conçu thermiquement aura une influence durable sur la productivité, la qualité des pièces ou le prix de revient (durée de vie du moule réduite). Or, plusieurs solutions techniques sont accessibles en phase de conception ou d’utilisation du moule pour en optimiser le fonctionnement thermique : circuits et puits de refroidissement, thermorégulation, insert en cuivre (sous la surface), jet cooling, surface empreinte striée, élément de moule réalisé en fabrication additive, utilisation de caloduc, modification de portée des éléments (lame d’air) mais aussi poteyage sans eau. On vous dit tout sur la thermique d’un moule.

La thermique outillage: des enjeux de première importance

Puits de refroidissement a l’eau – Différentes conceptions possibles

La thermique du moule est de première importance en fonderie sous pression et plus généralement dans tous les procédés de transformation à chaud en moule métallique (forge, plasturgie, MIM, extrusion, …).

En effet, la cadence de production est directement conditionnée par la capacité du moule à absorber la chaleur de la matière transformée puis à l’évacuer hors du moule. Ensuite, l’absence de points chauds dans l’empreinte (faible gradient thermique en surface) est favorable pour la santé interne des pièces. Enfin, la limitation des chocs thermiques en surface (faible gradient thermique dans la profondeur) contribue à l’augmentation de la durée de vie des empreintes par la réduction du faïençage (réseau de microfissures en surface qui s’amplifient dans le temps), la cause majeure de dégradation des moules en surface.

Les circuits et puits de refroidissement à eau

Le moyen le plus utilisé pour refroidir un moule est de positionner un réseau de circuits d’eau traversant (plus ou moins parallèle à la surface de l’empreinte) et de puits de refroidissement (perpendiculaire à la surface moulante). Le bon dimensionnement des circuits d’eau (nombre, position, diamètre, distance à la surface de l’empreinte) peut être réalisé de manière empirique. On sait ainsi par expérience que plusieurs canaux de faibles diamètres répartis sont préférables à un nombre réduit de canaux de grand diamètre.

Circuit de refroidissement de moule – bouchons type Expander

Cependant, l’optimisation du refroidissement nécessite de réaliser des calculs de simulation numérique (ProCAST / QuikCAST) intégrant la modélisation du moule, des circuits d’eau et de la grappe et prenant en compte la montée en régime thermique (10 cycles d’injection environ) de l’outillage. De par leur complexité, certains circuits d’eau nécessitent un bouchonnage (perçage débouchant), qui peut être à l’origine de fuite durant la fabrication si certaines précautions ne sont pas prises. Deux types de bouchons sont conseillés ; des bouchons acier coniques ou bouchons « Expander» et des taraudages coniques sur l’empreinte.

Les circuits de thermorégulation

Unité de thermorégulation de presse d’injection aluminium

Alors que les circuits d’eau ont pour objectif de refroidir le moule, les circuits de thermorégulation vont servir à amener des calories au moule pour le préchauffer au démarrage de la fabrication en limitant les chocs thermiques et le maintenir en température en cas d’arrêts de fabrication.

Il existe deux technologies de thermorégulation ; la thermorégulation à l’huile (chauffage jusqu’à 250°C à 300°C) et la thermorégulation à l’eau (180°C sous 15 bars de pression) plus récente. Cette dernière technologie, qui a tendance à se généraliser sur les nouveaux chantiers, a pour avantages de limiter la pollution au pied des presses d’injection (en cas de fuite des circuits de thermorégulation) et de maximiser les échanges thermiques (meilleure capacité calorifique de l’eau par rapport à l’huile).

Un insert en matériau diffusif

Effusivité thermique des matériaux d’insert de moule métallique de fonderie

Broche avec insert en cuivre refroidie à l’eau

Les empreintes de moule sont réalisées traditionnellement en acier X38CrMoV5 (dit quelquefois 5% de chrome ou H11/H13 dans les pays anglo-saxons). Ces nuances forgées, utilisées pour les éléments moulants offrent un bon compromis entre tenue aux chocs thermiques et conductivité thermique. Cependant, on peut utiliser sous la surface moulante des matériaux plus diffusifs et permettant de stocker provisoirement une plus grande quantité de chaleur. Ainsi des inserts en cuivre permettent de maximiser les échanges thermiques grâce à leur effusivité thermique très importante (x 3 par rapport à l’acier).

L’effusivité thermique (fonction de la conductivité thermique, de la masse volumique et de la capacité thermique massique) d’un matériau décrit la rapidité avec laquelle il absorbe les calories. Plus l’effusivité est élevée, plus le matériau absorbe d’énergie sans se réchauffer notablement. A contrario, plus elle est faible, et plus vite le matériau se réchauffe.

La technologie de jet cooling

broche-jet-cooling-solution-refroidissement-(Crédit Lethiguel)

Les petites broches (qui réalisent des trous borgnes dans les pièces) de diamètre extérieur inférieur à 10 mm ne peuvent pas être refroidies par un puit d’eau. Seul le poteyage permet d’éviter leur élévation en température. Malgré cela, de nombreux problèmes sont constatés en production ; défaut de type retassure en bout de broche (zone trop chaude), collage (interaction moule/métal) nécessitant des arrêts de production fréquents pour changement de broches ou encore hors dimensionnel au niveau du pré-trou.

Le jet cooling (technologie d’origine japonaise) – qui consiste à percer la broche et à injecter de manière séquentielle un flux d’eau (pendant l’injection du métal) et un flux d’air (pendant le reste du cycle) – est un moyen efficace, bien que relativement technique, de traiter la thermique des broches de faible diamètre.

Surface d’empreinte striée pour modifier la thermique d’un moule

Un moyen relativement simple pour augmenter le refroidissement d’une zone de pièce consiste à strier la surface de l’empreinte. Ces stries augmentent localement les surfaces de contact avec l’aluminium. Ces stries sont généralement utilisées sur des surfaces non fonctionnelles des pièces, là où cet artifice n’est pas pénalisant. Les stries ne doivent cependant pas créer de contre-dépouilles qui gêneraient le démoulage de la pièce.

Elément de moule en fabrication additive

Des éléments de moule de faible dimension peuvent être réalisés en fabrication métallique SLM avec la possibilité de créer des circuits de refroidissement très complexes géométriquement (conformal cooling) et impossibles à réaliser en usinage conventionnel. Si cette technologie est encore récente et donc encore onéreuse, elle offre indéniablement un potentiel important pour les zones difficiles à refroidir par des moyens conventionnels.

Utilisation de caloduc

Caloduc en fonderie – pour évacuer les calories d’une zone chaude avec une très grande efficacité thermique

Les caloducs (heat pipe en anglais) sont des tubes creux en acier avec un rainurage interne (réalisé par brochage) remplis partiellement par un fluide (eau, …). Dans la zone chaude (dit zone d’évaporation), le fluide interne va s’évaporer et ainsi prélever une quantité très importante de chaleur (chaleur latente de vaporisation) qui va être transmise quasi-instantanément (très faible inertie du caloduc) à la zone froide (dite de condensation) dans lequel le fluide va se condenser et libérer la chaleur qui devra être évacuée (circuit d’eau). Le fluide condensé retourne ensuite rejoindre la zone chaude par capillarité pour répéter le cycle d’évaporation/condensation.

Les caloducs présentent l’avantage de pouvoir évacuer une grande quantité de chaleur pour un faible volume d’encombrement. Leur utilisation est cependant très techniques car leur efficacité thermique est très dépendante de leur orientation dans l’espace (zone chaude vers le bas ou à l’horizontal), de leur bon dimensionnement par rapport à la zone à refroidir et ils ont besoin d’être relié à un point froid du moule (en zone de condensation) pour évacuer les calories extraites sans saturer.

Lame d’air entre éléments du moule

Si l’on souhaite au contraire limiter les échanges thermiques (et conserver les calories dans une zone de moule), on peut réaliser une lame d’air – de plusieurs millimètres – entre 2 éléments de moule (élément d’empreinte et carcasse par exemple).

Le poteyage sans eau

Le poteyage en fonderie sous pression est une phase de pulvérisation d’un produit aqueux (eau 98%  et d’agents démoulant 2%) sur le moule après l’éjection et évacuation de la grappe par le bras robot. Le poteyage, qui a pour fonction de permettre le démoulage de la grappe (film lubrifiant en surface d’empreinte) mais aussi de refroidir le moule (pour garantir un temps de cycle court) est suivi d’un soufflage (buse d’air) pour évacuer l’eau résiduel de la surface avant l’injection de l’aluminium.

Thermographie infra-rouge de zone de moule – mise au point de poteyage sans eau.

Le poteyage présente cependant l’inconvénient de créer des chocs thermiques très importants en surface de moule, de générer des quantités importantes d’effluents (à traiter ensuite), d’être une cause importante de non qualité (soufflure générée par l’interaction aluminium/eau résiduelle lors de l’injection) et enfin d’être très chronophage (20 à 30 % du temps de cycle total). De nouvelles technologies, dites de « poteyage sans eau » permettent de déposer – par micro-pulvérisation ou par voie électrostatique – des produits gras très concentrés (base eau ou base huile) qui ne présentent pas les inconvénients évoquées plus haut. Par contre, le poteyage sans eau a seulement une fonction démoulante et protectrice de l’empreinte et ne contribue plus au refroidissement du moule qui doit donc être conçu spécifiquement avec des circuits d’eau internes en nombre suffisants.

Une combinaison de technologies

Selon les besoins, ces différentes technologies de refroidissement (circuits et puits d’eau, thermorégulation, jet cooling, …) ont souvent combinées ensemble pour permettre un refroidissement optimisé des outillages.