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Système d'alimentation divergent en fonderie sous pression

La réduction de la mise au mille en fonderie sous pression peut être réalisée par des systèmes d’alimentation divergents au lieu de systèmes convergents comme traditionnellement utilisés. Un ensemble de règles de conception est en revanche nécessaire pour réaliser des systèmes divergents à l’écoulement optimal. Des simulations numériques sur canal tangentiel et éventail ont permis de déterminer ces règles de conception. Un moule de production 4 empreintes a été réalisé pour valider le concept de système divergent qui peut permettre de gagner entre 10 % et 20 % sur la masse de la grappe.

Importance du système d’alimentation

La conception du moule et en particulier celle du système d’alimentation influe fortement sur la santé des pièces et la cadence de production. Toute amélioration de conception, et notamment la réduction de masse du système d’alimentation, peut donc apporter des gains substantiels sur la rentabilité globale du procédé de fonderie sous pression. CTIF a acquis une expertise pointue sur le tracé des systèmes d’alimentation au travers du logiciel Salsa

et l’utilisation de la simulation numérique. Grâce à de nombreux stages de formation spécifique, son savoir-faire a pu être transmis aux industriels.

Le dimensionnement du système : de l’attaque de coulée à la pastille

Lors de la conception d’un système d’alimentation, les attaques (épaisseur et longueur) sont d’abord définies afin de garantir un écoulement pulvérisé et un temps de remplissage équivalent dans les différentes zones de pièce. Trois types d’attaque sont couramment utilisés : les éventails, les canaux tangentiels et enfin les doubles tangentiels avec delta central, combinaison des deux types précédents.

Ces attaques sont ensuite reliées au jet de coulée (appelé souvent « pastille » en aluminium et « carotte » en zamak) par des canaux trapézoïdaux qui sont dimensionnés avec un coefficient de convergence. On dimensionne ainsi les canaux en remontant de l’attaque de coulée à la pastille pour assurer le non- décollement des veines de métal par des coefficients de convergence (entre l’entrée et la sortie d’un même canal) ou un coefficient de raccordement (entre un canal principal se séparant en deux canaux secondaires).

La problématique

Ces coefficients permettent d’avoir un métal constamment en pression à l’intérieur du système d’alimentation et évite ainsi les décollements de veine et entraînements d’air, préjudiciables à la santé de la pièce.  

Par exemple, pour une grappe deux empreintes, on définit pour chaque canal un coefficient de convergence K_c entre la section d’entrée et celle de sortie et un coefficient de convergence K_r à chaque raccordement de plusieurs canaux. Typiquement, K_c et K_r ont une valeur de l’ordre de 1,05 à 1,1 pour des systèmes convergents.

Impact négatif de la convergence sur la mise au mille

Mais, s’ils ont un effet très bénéfique sur l’écoulement – en obligeant le métal à se plaquer contre les parois des canaux – ces coefficients augmentent aussi systématiquement la mise au mille de la grappe en faisant grossir les sections depuis l’attaque vers le jet de coulée.

Une enquête, menée auprès de la profession sur plus de 120 grappes de toutes tailles (machines de 5 t à 2500 t), a mis en évidence que, si la mise au mille la plus courante se situe autour de 1600, elle est, dans 30% des cas, beaucoup plus importante (> 3000 ou plus) et en particulier pour les grappes multi-empreintes (sur machines inférieures à 1000 tonnes). Une forte mise au mille est défavorable car elle engendre des coûts énergétiques élevés (fusion/maintien), elle participe à l’augmentation des pertes au feu (quantité de métal à refondre plus importante) et enfin elle nécessite un temps de solidification plus long (les canaux d’alimentation avec la pastille étant les zones de dernière solidification) pénalisant le temps de cycle. L’objectif de ce projet de recherche était donc de développer une nouvelle méthodologie de conception minimisant la mise au mille tout en conservant, dans le système d’alimentation, un écoulement propice à la bonne santé des pièces.

La méthodologie

Afin d’explorer de nombreuses configurations, les géométries des canaux d’alimentation ont été testées à l’aide de l’outil de simulation numérique du remplissage sur des éventails et des canaux tangentiels en 2 et 4 empreintes.

La première étape du projet consistait à valider la possibilité d’utiliser les systèmes de type divergent en fonderie sous pression. Chacun des systèmes (avec éventail et avec tangentiel) a été dimensionné directement à l’aide de Salsa en utilisant des coefficients de convergence et de raccordement tantôt de 1,2 (système très convergent), tantôt de 0,8 (système très divergent). A l’issue du comparatif des simulations de remplissage, réalisées dans les mêmes conditions, la divergence nous a paru applicable.

Les inconvénients d’un système divergent

Deux inconvénients majeurs découlent cependant directement de la divergence. La divergence induit tout d’abord une diminution des pertes de charge dans le sens de l’écoulement. Ces systèmes ont une très forte tendance à favoriser les décollements de veine fluide, même dans les parties rectilignes. Ensuite, par définition, un système divergent n’a en aucun cas la capacité à résorber des décollements de veine générés en amont. Pour répondre au premier problème, nous avons testé des solutions permettant d’augmenter globalement les pertes de charges dans tout le système dans l’optique d’assurer la compacité de la veine de métal. Au second problème, nous avons eu deux approches complémentaires : Limiter au maximum les sources des décollements de veine et ensuite créer localement une zone qui remette le système en pression puisque tous les décollements ne peuvent être éviter dans des conditions industrielles. Enfin notre dernière tâche était de valider nos règles sur un cas industriel.

Les conditions de simulation numérique

L’ensemble des calculs de simulation a été réalisé en moule virtuel – prenant en compte des échanges thermiques moule/métal simplifiés – à partir d’une température de moule homogène à 350 °C. L’alliage d’aluminium Al Si9Cu3(Fe), était injecté à une température de 660°C pour une vitesse du piston en première phase était de 0,4 m/s. Les calculs étaient arrêtés après la mise en pression complète du système et l’ensemble des dépouillements a porté sur la qualité de l’écoulement dans le système de remplissage. En effet, une fois l’attaque de coulée passée, le système d’alimentation est complètement engorgé et ne présente quasiment plus de variation (en vitesse et pression). Le faciès de remplissage n’est alors plus dépendant que de la géométrie de la pièce. C’est pourquoi, et afin de pouvoir tirer des règles générales indépendantes de la pièce, la géométrie de la pièce a volontairement été réduite à un parallélépipède. La section et la position de l’attaque n’ont pas été modifiées. Nous nous sommes également assurés, par des simulations avec un alliage de zinc (T_moule = 150°C et T_alliage = 400°C), que les règles déterminées étaient également valables quel que soit le type d’alliage injecté.

Les règles à respecter pour appliquer la divergence

Plusieurs règles sont, dans la mesure du possible, nécessaires de respecter pour appliquer la divergence d’un système tout en minimisant l’absence de décollement des veines de métal dans le système d’alimentation. La vitesse doit être rapide dans le canal d’alimentation, les canaux doivent être aplatis, un rayon de raccordement est nécessaire entre pastille et canal, de larges rayons de raccordement doivent être prévus et une convergence ou une striction finale avant l’attaque doit être réalisé. Il peut être néanmoins complexe d’assurer le respect de toutes ces règles.

Vitesse rapide dans le système d’alimentation en système divergent

Lors de nos recherches, il est apparu que deux configurations conduisent à un écoulement optimal. Tout d’abord, le système convergent traditionnel avec l’utilisation d’une vitesse lente (0,44 m/s) jusqu’aux attaques. C’est la pratique habituelle en fonderie sous pression où la vitesse rapide est déclenchée généralement aux attaques. Ensuite, l’écoulement optimal s’obtient aussi avec le système divergent par l’utilisation d’une vitesse rapide (3,44 m/s) déclenchée dès que le métal pénètre dans le système d’alimentation (après le passage de la pastille). Cette vitesse rapide a pour effet d’augmenter les pertes de charge permettant ainsi de conserver la compacité de la veine de métal dans le système. La qualité de l’écoulement est alors assez semblable à celle obtenue avec un système convergent rempli à vitesse lente.

Une vitesse maximale dans le canal principal

Alors qu’en conception convergente, la vitesse maximale est toujours obtenue aux attaques, un système divergent entraîne une distribution des vitesses très différente. En particulier, la vitesse maximale se situe souvent dans le canal principal. Bien que cette vitesse soit moins pénalisante puisque se situant dans le système de remplissage, nous avons tout de même déterminé une formule permettant de déterminer le coefficient de divergence global du système en fonction de la vitesse maximale souhaitée. Cette formule n’est cependant applicable que pour des systèmes dans lesquels on retrouve exactement le même nombre d’éléments dans chaque branche.

Aplatissement des canaux

Egalement dans le but d’augmenter les pertes de charge, tous les canaux doivent être aplatis dans le sens de l’écoulement.

Pour déterminer cet aplatissement, nous préconisons de contrôler au moins l’égalité entre les rapports surface sur périmètre (S/P) à l’entrée et à la sortie du canal considéré. Cette géométrie a l’inconvénient de nécessiter un encombrement plus important au plan de joint et des rayons de raccordements plus grands. En revanche, elle facilite la mise en place des éjecteurs. Dans les raccordements, il est préférable de conserver une même profondeur afin de faciliter l’usinage.

Rayon de raccordement pastille/canal

Du fait du déclenchement précoce de la vitesse rapide de seconde phase, le raccordement entre la pastille et le canal principal est le siège d’un important décollement de veine. Il est donc nécessaire de mettre en place un rayon de raccordement aussi large que possible au niveau de cette jonction pour limiter au maximum ce phénomène.

Larges rayons de raccordement entre les canaux

A chaque changement de direction, il est nécessaire également d’utiliser un rayon de raccordement le plus large possible pour atténuer les décollements de veine. CTIF préconise l’utilisation minimale d’un rayon de raccordement intérieur, égal à deux fois la largeur du canal en amont (à titre indicatif, en moulage sable, il est recommandé d’utiliser un rayon au minimum égale à quatre fois la largeur du canal). A l’extérieur, nous recommandons l’emploi d’un rayon évolutif afin de conserver au mieux l’évolution de la section. La méthode de tracé de ce rayon est la suivante : Délimitation de la courbure par le tracé de 3 points limite puis construction de l’arc en tangence avec les canaux en amont et en aval (sous CATIA utilisation de la fonction PTS CST).

Rayon terminal de 3 mm dans les raccords en T

La réalisation d’une bifurcation de canaux (raccord en T) entraîne inévitablement la formation d’une zone de détente. Dans les systèmes divergents, sa vitesse est telle que le métal ne peut se détendre et il se produit alors un décollement de veine.

Pour réduire cette zone, CTIF préconise l’utilisation d’un rayon terminal de 3 mm (compromis usure/écoulement). Par ailleurs, celui-ci permettra également de favoriser la division des flux.

Limitation de l’angle des changements de direction

En respectant les deux règles précédentes, les décollements de veine seront largement minorés mais en aucun cas supprimés. Pour l’obtention d’une meilleure santé interne de la pièce, nous recommandons d’ajouter à ces règles, une limitation à 60° maximum de l’angle des changements de direction. Outre l’aspect bénéfique du point de vue de l’écoulement, cette règle est également un excellent moyen de limiter l’encombrement de la grappe.

Convergence ou striction finale

Enfin, pour remettre en pression de manière systématique le métal dans le système, pour les éventails, il est nécessaire d’adopter une géométrie soit de type éventail convergent, soit de type canal avec striction avant l’éventail.

 Les avantages et inconvénients de chacune de ces solutions sont présentés ci-contre. La première solution (éventail convergent) nous semble préférable à un système avec une striction. C’est l’éventail convergent que nous retiendrons pour le cas industriel testé. Les systèmes avec un canal tangentiel n’ont pas besoin d’une striction ou d’une zone convergente vers l’attaque. En effet le tangentiel, par définition convergent, suffit pour provoquer une remise en pression naturelle du système.

Les essais sur grappe industrielle

L’objectif de cette phase était d’appliquer les règles de dimensionnement déterminées précédemment à une pièce industrielle pour valider le concept de système divergent. La pièce retenue est un support en AlSi12 réalisé sur une grappe 4 empreintes. Le système de remplissage utilisé était un système convergent ayant pour masse environ 700 g. Lors d’un renouvellement du moule, le système a été re-conçu en conservant à l’identique la position des pièces, la zone d’attaque et la section d’attaque afin de pouvoir établir une comparaison objective entre l’ancien et le nouveau système. De la même façon, tous les talons de lavage et le système de tirage d’air massif ont été conservés dans l’état.

Le type de système retenu par CTIF est un système divergent avec éventail convergent (K_s = 0,9). Afin de ne pas obtenir de vitesse de métal trop importante dans le système nous avons choisi un coefficient de divergence de 0,9 (K_c = K_r).

Compte tenu du faible encombrement disponible au plan de joint, la condition de R = 2 × a pour les rayons de raccordement n’a pas pu être respectée. Nous avons choisi d’utiliser les plus grands rayons possibles si bien que les canaux secondaires (entre les raccordements et les éventails) ont été supprimés. De ce fait, les éventails sont en liaison directe avec les raccordements en T. Le positionnement des pièces étant également défini, la règle de limitation de l’angle des changements de direction n’a pas pu être non plus respectée. La comparaison des systèmes montre un gain de 28.5 % sur la masse du système de remplissage et de près de 14 % sur la mise au mille.

Test en simulation numérique

Une simulation numérique a ensuite été réalisée avant d’usiner le moule. L’analyse des résultats de cette simulation ne révèle pas de défaut majeur. Les rencontres de flux de métal se font à des températures suffisamment élevées pour éviter la reprise. Les emprisonnements d’air, réduits, s’ils ne sont pas entraînés dans les talons de lavage ou dans le tirage d’air massif, seront comprimés lors de la phase de compression.

Tests expérimentaux

Les essais ont été réalisés sur une machine 400 tonnes et chantier automatisé et ont montrés que la santé interne (radio) est au moins aussi bonne qu’avec l’ancienne conception traditionnelle (convergente). En particulier, des soufflures, présentes avec l’ancien système convergent sont très réduites ou inexistantes avec le système divergent. Nous n’avons pas constaté, non plus, durant ces essais de problème particulier (collage, …) imputables au système d’alimentation divergent.

Conclusions sur les systèmes divergents

La conception de systèmes divergents est intéressante au niveau de la réduction de la mise au mille d’une grappe et peut permettre de gagner de 10 à 15 % sur la masse de celle-ci.

Pour conserver un écoulement optimisé, un système divergent nécessite de respecter plusieurs règles de conception. Une vitesse rapide de remplissage des canaux. La première phase (à vitesse lente) s’arrêtera lorsque le conteneur est plein à 100 %. Avec ce type de système, on prendra soin d’adapter éventuellement le coefficient de divergence afin de limiter la vitesse maximale du métal dans le système. On doit ensuite avoir un aplatissement des canaux en direction de la pièce afin d’augmenter les pertes de charge. L’emploi de larges rayons de raccordement, un rayon à la jonction pastille/canal principal et un rayon terminal de 3 mm dans les raccords en T. Dans la mesure du possible, une limitation à 60° de l’angle des changements de direction. Enfin, une convergence des sections d’éventail ou une zone de striction juste avant l’éventail afin d’avoir un système en pression lorsque le métal commencera à débiter dans l’empreinte. Pour les systèmes avec tangentiel, la convergence naturelle de celui-ci permet de ne pas prendre ce type de précaution.

La comparaison des simulations met en évidence qu’avec un système divergent respectant toutes les règles précédentes, le front de métal est au moins aussi homogène et compact que dans le cas d’une géométrie traditionnelle. Enfin, une pré-étude des écoulements en front libre nous a permis de rattacher, en première approche, le coefficient de divergence au nombre d’empreinte dans la grappe.

Remerciements : Nous remercions l’équipe projet de CTIF (Patrick Priot, Patrick Hairy et Michel Elary).