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Fabrication Additive Sable : un procédé pertinent pour développer un démonstrateur industriel

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.

Réalisation d’un démonstrateur industriel

Dans le cadre de ce projet, CTIF a piloté le développement d’un démonstrateur industriel ; il s’agit d’un échangeur hydraulique de volume 0,55 dm3 coulé en alliage cuivreux CuCr1 proposé par la fonderie Saint-Rémy Industrie.

L’alliage CuCr1 présente la particularité d’avoir un faible intervalle de solidification, inférieur à 10 °C, et un liquidus proche de 1078 °C.

L’objectif proposé par la fonderie Saint-Rémy Industrie est de réaliser la pièce en fabrication additive indirecte sable et de valider la qualité de la pièce (étanchéité, état de surface,…).
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 CTIF avec le logiciel QuikCAST® de ESI.

 

Prédiction de la localisation des retassures.

 

 

 

 

 

 

 

Pour les 3 sens de moulage, 4 zones de retassures (en cou­leur mauve) sont décelées qui nécessiteront des actions, telle que la mise en place de masselottes sable, manchons, refroidisseurs sable ou métalliques ou adapter le 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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Une nouvelle simulation numérique de remplissage et de solidification a permis de valider les systèmes de masselottage et de remplissage, et ainsi 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 localisation des retassures.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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 zircon pour limiter les réactions moule-métal.

Moules avant la coulée.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Après décochage, 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.
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 fines et un dépôt d’enduit plus épais sur les moules devraient améliorer l’état de surface.
Une optimisation du système de masselottage 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. Cette amélioration a été confirmée après analyse radiographique.

 

Vue de la pièce première fabrication présentant un défaut de retassure.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Clichés radiographiques Avant / Après amélioration système de masselottage.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Analyse des sables de fonderie

Différentes éprouvettes de sables liés par des techniques conventionnelles (CTIF) et par fabrication additive (de deux fournisseurs différents) ont été observées par Microscopie Electronique à Balayage.

Pour l’éprouvette obtenue avec le sable à 55 AFS, on observe une bonne perméabilité avec la présence d’espace entre les grains, liés par des ponts de liant bien dispersés au sein de l’éprouvette. Avec un sable d’indice de finesse plus élevé, comme pour l’éprouvette obtenue à partir de sable de 100 AFS, on constate peu ou pas d’espace entre les grains. Ces espaces semblent être comblés en partie par le liant, bien dispersé, entraînant une faible perméabilité de l’éprouvette.

Des éprouvettes fabriquées à partir d’un sable de silice par fabrication additive (fournisseur 1) avec un liant furanique ont également été observées, selon deux axes d’observation, pour voir l’influence du dépôt de liant et de sable par couche. Le sable de silice utilisé présente un indice de finesse de 100 AFS conduisant à une faible perméabilité de  l’éprouvette. De plus, selon les observations sur l’axe référencé X-Y (figure 1), les grains de silice semblent totalement recouverts et bloqués dans une couche de liant créant ainsi une barrière imperméable. Les observations sur l’axe Y-Z nous confirment le manque d’espace entre les grains et donc une faible perméabilité de l’éprouvette. 

Pour les éprouvettes obtenues avec le sable de chromite de 70 AFS et un liant furanique (fournisseur 2), on observe une bonne perméabilité avec la présence d’espace entre les grains, liés par des ponts de liant bien dispersés au sein de l’éprouvette. Ces observations ont été effectuées sur des échantillons sélectionnées selon les 3 plans de fabrication X, Y et Z et aucune différence de dispersion du liant n’a été observée.

 

 

 

 

 

 

Figure 1 : Images de MEB des éprouvettes obtenues par fabrication additive (fournisseur 1) avec un liant de type furanique et un sable de silice (100 AFS). Les observations ont été effectuées sur le plan d’observation X-Y.

 

 

 

 

 

 

 

Figure 2 : Images de MEB des éprouvettes obtenues par fabrication additive avec un liant de type furanique (fournisseur 2) et un sable de chromite (70 AFS). (Les flèches marquent les ponts de liant entre les grains).

Par ailleurs, des éprouvettes ont été fabriquées à partir de sable de silice ou chromite par fabrication additive pour évaluer leur résistance à la flexion.

 

Conclusion

Le développement du démonstrateur 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.

La réalisation du démonstrateur industriel et la caractérisation du sable sont détaillées dans le dossier Fabrication Additive Sable de la revue Forge Fonderie, N° 21, 2020.

Si vous souhaitez plus de détails sur le projet FASSE, n’hésitez pas à contacter Didier Tomasevic : tomasevic@ctif.com, chef de Projets Méthodes et Procédés Fonderie chez CTIF OU Lise Guichaoua : Guichaoua@ctif.com, Ingénieure Chimie des matériaux chez CTIF.