CA2981374A1

CA2981374A1 - Sand shell-moulding method for the production of a part for use in the automotive and aeronautics fields

Info

Publication number: CA2981374A1
Application number: CA2981374A
Authority: CA
Inventors: Emile Thomas Di Serio; Guillaume MALHERBE; Lionel DUPERRAY
Original assignee: Saint Jean Industries SAS
Current assignee: Saint Jean Industries SAS
Priority date: 2015-04-01
Filing date: 2016-03-16
Publication date: 2016-10-06
Also published as: MA41836A; FR3034332A1; CN107427906A; US20180369906A1; MX2017012495A; EP3277451A1; WO2016156692A1; JP2018516761A; KR20170132771A

Abstract

The invention relates to a sand shell-moulding method for the production of a part for use in the automotive and aeronautics fields, in which: a metal or alloy is poured into the shell mould in order to produce a part; the shell is cooled forcibly and rapidly; and the part is removed.

Description

WO 2016/15669 WO 2016/15669

2 1 PROCEDE DE MOULAGE EN CARAPACE SABLE POUR LA
REALISATION D'UNE PIECE DANS LE DOMAINE DE
L'AUTOMOBILE ET DE L'AERONAUTIQUE.
L'invention se rattache au secteur technique de la fonderie, notamment d'alliage en aluminium, de magnésium, de cuivre ou autres matériaux similaires.
Plus particulièrement, l'invention concerne un procédé de moulage en carapace sable, pour la réalisation d'une pièce dans le domaine de l'automobile et de l'aéronautique.
Le procédé de moulage en carapace sable est parfaitement connu pour un homme du métier.
Il consiste à utiliser un sable pré-enrobé d'une résine thermodurcissable qui, au contact d'une plaque modèle chauffée à une température d'environ 200 C, durcit sur une couche de quelques millimètres, constituant la carapace. Chaque carapace correspond à un demi-moule, qui est ensuite polymérisé, puis collé.
Parmi les différents procédés de moulage en carapace sable, on peut citer les procédés Croning, boite chaude, boite froide, boite tiède, inorganique.....).
Ce procédé de moulage présente plusieurs avantages, parmi lesquels on peut citer la possibilité de réaliser des géométries très complexes, ainsi que la possibilité d'intégrer différentes fonctions sur la pièce considérée, par exemple un collecteur d'échappement sur une culasse de moteur de véhicules automobiles. D'autres avantages sont à noter, par exemple, au niveau de la diminution du poids des pièces obtenues. Un tel procédé

nécessite, par ailleurs, de faibles investissements, et permet de diminuer les opérations d'usinage.
Par contre, les pièces obtenues par ce procédé de moulage en carapace, présentent des caractéristiques mécaniques, qui ne sont pas toujours suffisantes dans certains domaines d'application, en considérant des vitesses de solidification très faibles.
Il apparaît, donc, qu'un procédé de moulage en carapace est particulièrement bien adapté pour la réalisation de pièces de géométries complexes, lorsque ces pièces ne nécessitent pas des caractéristiques mécaniques élevées.
Or, il est apparu que, non seulement, la géométrie des pièces se complexifie, mais que les caractéristiques mécaniques de telles pièces, doivent atteindre des niveaux élevés, et afin de répondre aux cahiers des charges.
A partir de cet état de la technique et de cette situation, il est donc apparu important de pouvoir améliorer le procédé de moulage en carapace sable, afin de pouvoir obtenir des pièces de géométrie très complexes, présentant des caractéristiques mécaniques élevées.
Pour résoudre un tel problème, il a été conçu, selon l'invention, un procédé de moulage en carapace sable, selon lequel, dans une première forme de réalisation :
- on coule un métal ou un alliage dans la carapace pour réaliser une pièce, - on refroidit de manière forcée et rapide la carapace, - on réalise une opération de débourrage de la pièce.

WO 2016/156692 2 1 PROCESS FOR SANDING CARAPLE MOLDING FOR
REALIZATION OF A PIECE IN THE FIELD OF
AUTOMOBILE AND AERONAUTICS.
The invention relates to the technical sector of the foundry, including aluminum alloy, magnesium, copper or other similar materials.
More particularly, the invention relates to a molding method in sand shell, for the realization of a piece in the field of automotive and aeronautics.
The sand shell molding process is well known for a person skilled in the art.
It consists in using a sand pre-coated with a resin thermoset which, in contact with a model plate heated to a temperature of about 200 C, hardens on a layer of some millimeters, constituting the carapace. Each carapace corresponds to a half-mold, which is then polymerized and then glued.
Among the different molding processes in sand shell, one can Croning processes, hot box, cold box, warm box, inorganic.....).
This molding process has several advantages, among which we can mention the possibility of making very complex geometries, as well as the ability to integrate different functions on the part in question, for example an exhaust manifold on a motor cylinder head motor vehicles. Other benefits are to be noted, for example, at level of the reduction of the weight of the pieces obtained. Such a process requires, in addition, low investment, and reduces machining operations.
On the other hand, the parts obtained by this molding process carapace, have mechanical characteristics, which are not still sufficient in certain fields of application, considering very low solidification rates.
It appears, therefore, that a carapace molding process is particularly well suited for producing geometrical pieces complex, when these parts do not require features mechanical high.
However, it appeared that not only the geometry of the pieces complexifies, but that the mechanical characteristics of such parts, must reach high levels, and in order to meet the specifications of the loads.
From this state of the art and from this situation, it is therefore appeared important to be able to improve the carapace molding process sand, in order to obtain very complex pieces of geometry, having high mechanical characteristics.
To solve such a problem, it has been conceived, according to the invention, a sand-shell molding process, according to which, in a first embodiment:
a metal or an alloy is cast into the shell to perform a room, the forks are forced and rapidly cooled, - Performing a stripping operation of the room.

WO 2016/156692

3 Un tel procédé trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine de l'automobile et de l'aéronautique, pour la réalisation de pièces très complexes, devant présenter des caractéristiques mécaniques élevées. La carapace sable est fabriquée, d'une manière connue, selon un procédé adapté à la nature de la pièce à obtenir (boite chaude, boite froide, boite tiède, impression 3D, ....). Les épaisseurs de la carapace sont également adaptées, en fonction des caractéristiques de la pièce à obtenir, pour atteindre le meilleur compromis possible entre tenue de pression métalo-statique et résistance thermique d'interface.
Comme indiqué, après avoir coulé le métal ou l'alliage, la carapace sable, contenant ledit métal ou ledit alliage encore à l'état liquide, ou en phase de solidification, est ensuite refroidie, par exemple, via une trempe.
De manière connue, cette trempe peut être à l'eau, à l'huile, à l'air, ou tout autre moyen permettant un tel refroidissement. Refroidissement rapide et forcé signifie que la carapace est trempée alors que l'alliage est encore liquide. A titre indicatif nullement limitatif, la température de la trempe est inférieure à 100 C.
Ces deux opérations de coulage et de refroidissement ont un double intérêt, qui est, d'une part, de permettre l'orientation du front de solidification en établissant lors de la trempe, un gradient thermique, et d'autre part, d'augmenter les vitesses de solidification, et par conséquent, les caractéristiques mécaniques de la pièce en résultant.
Il suffit, ensuite, de soumettre la pièce à une opération de débourrage classique, lequel débourrage peut être chimique, thermique ou mécanique.

WO 2016/156692 3 Such a method finds a particularly advantageous application in the field of the automobile and aeronautics, for the realization of very complex parts, having to present mechanical characteristics high. The sand shell is manufactured, in a known manner, according to a process adapted to the nature of the part to be obtained (hot box, cold box, warm box, 3D printing, ....). The thicknesses of the shell are also adapted, depending on the characteristics of the part to be obtained, to achieve the best possible compromise between pressure holding metal-static and interface thermal resistance.
As stated, after casting the metal or alloy, the carapace sand, containing said metal or said alloy still in the liquid state, or solidification phase, is then cooled, for example, via quenching.
In a known manner, this quenching can be with water, with oil, with air, or all other means for such cooling. Fast cooling and forced means that the shell is soaked while the alloy is still liquid. As a non-limitative indication, the temperature of the quenching is less than 100 C.
These two pouring and cooling operations have a double interest, which is, on the one hand, to allow the orientation of the solidification by establishing during quenching, a thermal gradient, and on the other hand, to increase the rates of solidification, and consequently, the mechanical characteristics of the resulting part.
It suffices, then, to submit the piece to a stripping operation conventional, which débourrage can be chemical, thermal or mechanical.

WO 2016/156692

4 Dans une autre forme de réalisation du procédé selon l'invention, on coule un métal ou un alliage dans la carapace pour réaliser, non plus une pièce finale, niais une préforme. Le profil de la carapace est, bien évidemment, adapté en conséquence. Puis, comme indiqué précédemment, on refroidit, de manière forcée et rapide, la carapace et on réalise une opération de débourrage de la préforme.
Dans cette forme de réalisation du procédé de moulage selon l'invention, la préforme est soumise à une opération combinée de pressage et de forgeage, comme il ressort du procédé connu sous la marque COBAPRESS. Ce procédé COBAPRESS ressort, par exemple, de l'enseignement du brevet EP 0 119 365.
Ce procédé de moulage en carapace sable, selon les caractéristiques de l'invention, permet d'obtenir des caractéristiques mécaniques très supérieures à celles obtenues dans le cas d'un procédé de moulage en carapace sable, selon l'état antérieur de la technique, comme il ressort des résultats d'essais ci-après, effectués avec le même type de métal ou d'alliage.
Procédé de moulage en carapace selon l'état de la technique :
o SDAS : 60-70um o Rp0.2=200-220 MPa o Rm=240-260 MPa o A%=1-2%
Procédé de moulage en carapace selon l'invention :
o SDAS : 30-35um o Rp0.2= 220 -260 MPa WO 2016/156692 4 In another embodiment of the method according to the invention, sinks a metal or alloy in the shell to achieve, either a final piece, but a preform. The profile of the carapace is, well obviously, adapted accordingly. Then, as previously stated, the shell is rapidly and forcibly cooled and a stripping operation of the preform.
In this embodiment of the molding process according to the invention, the preform is subjected to a combined pressing operation and forging, as is apparent from the process known under the trademark COBAPRESS. This COBAPRESS process emerges, for example, from the teaching of EP 0 119 365.
This process of molding in sand shell, according to the characteristics of the invention makes it possible to obtain very mechanical characteristics than those obtained in the case of a molding process in which sand shell, according to the prior art, as is apparent from the test results below, made with the same type of metal or alloy.
Carapace molding process according to the state of the art:
o SDAS: 60-70um o Rp0.2 = 200-220 MPa o Rm = 240-260 MPa o A% = 1-2%
Carapace molding process according to the invention:
o SDAS: 30-35um o Rp0.2 = 220 -260 MPa WO 2016/156692

5 o Rm=290-310 MPa o A%-6-8%
formules selon lesquelles SDAS correspond à l'espace inter dendritique, Rp à la limite élastique, Rm, à la résistance mécanique et A% à
l'allongement.
Il ressort des caractéristiques du procédé selon l'invention que le procédé permet de cumuler les avantages d'une coulée en carapace sable permettant d'obtenir des pièces de géométrie complexes, avec diminution du poids, diminution des opérations d'usinage, tout en nécessitant de faibles investissements, en présentant des caractéristiques élevées, comme il ressort des essais comparatifs ci-dessus. On note également que l'application de procédé COBAPRESS permet une forte diminution des porosités, et du phénomène de peau. 5 o Rm = 290-310 MPa o A% -6-8%
formulas according to which SDAS corresponds to the interdendritic space, Rp at the elastic limit, Rm, at the mechanical strength and A% at elongation.
It follows from the characteristics of the process according to the invention that the process allows to cumulate the advantages of a casting in sand shell allowing to obtain pieces of complex geometry, with decrease weight reduction of machining operations, while requiring low investments, by presenting high characteristics, as comparative tests above. We also note that the application of COBAPRESS process allows a sharp reduction of the porosities, and the skin phenomenon.

Claims

6 -1- Sand carapace molding process for making a part in the field of automobiles and aeronautics, according to which:
a metal or an alloy is cast into the shell to perform a room, the shell is forcibly and quickly cooled, - Performing a stripping operation of the room.
-2- Sand carapace molding process for producing a part in the field of the automobile and aeronautics, according to which:
a metal or an alloy is cast into the shell to perform a preform, the shell is forcibly and quickly cooled, - It performs a stripping operation of the preforrne the preform is subjected to a combined pressing and forging.