EP2867380A1 - Procédé de fabrication par moulage d'une mousse en alliage d'aluminium. - Google Patents

Procédé de fabrication par moulage d'une mousse en alliage d'aluminium.

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EP2867380A1
EP2867380A1 EP13756523.0A EP13756523A EP2867380A1 EP 2867380 A1 EP2867380 A1 EP 2867380A1 EP 13756523 A EP13756523 A EP 13756523A EP 2867380 A1 EP2867380 A1 EP 2867380A1
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EP
European Patent Office
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preform
typically
type
elements
foam
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP13756523.0A
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German (de)
English (en)
Inventor
Michel MAFFEIS
François TRINCAT
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Constellium Issoire SAS
Original Assignee
Constellium France SAS
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C22C21/00—Alloys based on aluminium
    • C22C21/06—Alloys based on aluminium with magnesium as the next major constituent

Definitions

  • the invention relates to the field of manufacturing, by molding, highly porous metallic materials, known as metal foams or sponges or micro-cellular or open celled metal foams. all characterized by a porosity of at least 10%, and typically from 60 to 80.
  • the invention relates to a method of manufacturing this type of aluminum alloy foam by molding, or by infiltration of the interstices of a preform or destructible core, in this case made of elastomeric elements. of silicone.
  • the products can be used, replacing materials with honeycomb structure or fins, in the manufacture of industrial heat exchangers in general or for the automobile, the nuclear, the passive heat exchangers of the electrical or electronic circuits of power, LED diode lighting, sound insulation, energy absorption including shock in the automotive field, etc.
  • J Banhart, in [Progress in Materials Science 46 (2001) 559-632] refers to a process in which a preform is made of agglomerated sand by a binder which decomposes under the effect of heat during its infiltration by the liquid metal and its solidification, which allows its subsequent "débourrage”.
  • Patent FR 2 921 281 of the "Technical Center for Foundry Industries” describes a process in which the preform is made based on salt balls or kaolin, agglomerated by a binder typically polyurethane which decomposes during infiltration by the liquid metal and during its solidification. The beads are then removed by the action of a solvent.
  • This method has the drawbacks of a relatively tedious manufacturing step of the preform, requiring pressing during forming / shaping, which limits the accessible grain shapes, the risk of formation of non-visible agglomerates during shaping, the fact the wetting agent whose elimination may not be complete and the ambient humidity, and the need for evaporation and curing of the delicate pyrolysis type.
  • the preform obtained is relatively fragile, which makes handling difficult, especially for its implementation in the mold, and limits the accessible dimensions.
  • evacuation of the preform by solvent is also penalizing, especially in a context of industrial production, and salt recycling is a necessity, given the environmental constraints and cost, but it generates also additional investment and production costs.
  • the present invention proposes to provide a solution to the various problems mentioned above by allowing:
  • metal tubes typically intended to serve as heat exchanger tubes, but also for example pyrex type glass, or "cores" to create in the foam holes or other empty shapes,
  • the subject of the invention is a process for manufacturing an aluminum alloy foam, ie an open-cell material with a porosity typically of 60 to 80%, essentially consisting of infiltration by the liquid aluminum alloy. interstices of a preform consisting essentially (more than 50% and preferably more than 80%) of silicone elastomer elements, characterized in that it comprises the following steps:
  • said silicone elastomer elements are formed into substantially spherical balls before step b) of agglomeration.
  • the extruded sections, after cutting with a granular are rounded in a forming machine, typically between two flanges in motion.
  • the constituent elements of the preform preferably have an outer diameter circumscribed from 2 to 10 mm. This means, in the case of slender members of the rod type, tubes or cylinders, the outer diameter circumscribed perpendicular to the length.
  • they have a length of 2 to 10 mm.
  • the agglomeration of the constitutive elements of the preform is carried out using a binder of the liquid silicone type at a content of 1 to 3%, expressed as a percentage by weight.
  • the agglomeration of the constituent elements of the preform is carried out using a binder of the liquid polyurethane resin type at a content of 2 to 4%, expressed as a percentage by weight.
  • the density of the preform obtained is between 0.5 and 0.8.
  • step b) of agglomeration comprises the introduction of one or more tubes, typically aluminum alloy, for use of the assembly "tube plus foam" in the production of heat exchangers tubes, or pyrex type glass for use of the product obtained in particular in the medical field.
  • tubes typically aluminum alloy
  • the preform is preheated to a temperature of typically 150 to 250 ° C. before being put into place in the mold.
  • the preforms and the aluminum alloy foam obtained have a minimum size of 50 mm ⁇ 50 mm and a maximum of 350 mm ⁇ 350 mm in respective thicknesses of 10 to 100 mm and 15 to 80 mm.
  • the invention is based on the finding made by the applicant that the silicone elastomer, well known to those skilled in the art because used to make tubes or cylinders as precursors of air draft channels in the molds or cores, used themselves in molding of aluminum alloys, resisted without melting the casting of said aluminum alloys, or at temperatures of the order of magnitude of 800 ° C, the metal solidifying on contact, before to decompose essentially into silica powder under the effect of heat produced during casting and solidification.
  • This material has therefore appeared to be particularly suitable for the production of preforms or destructible cores instead of preforms of salt or kaolin balls or salt dough, of the prior art, for the manufacture of aluminum foam by infiltration of aluminum alloy in the interstices left free of said preform, solidification and removal of the silica powder.
  • a silicone elastomer for example known under the references SI 50 to 80 of the company "Plastelec” and preferably SI 70, with a hardness of 70 shore, is used as the base material.
  • It is shaped, for example by extrusion, into elongated elements of very varied shapes, either cylinders, tubes, with sections in stars or polygons, solid or tubular, rods, etc.
  • the circumscribed outer diameters of these elongated elements are typically but not exclusively, from 2 to 10 mm.
  • the said elements are then cut, for example using a granular material, into sections of length, typically, but not exclusively, from 2 to 10 mm, which will be called constituent elements of the preform.
  • the polymerization is then carried out naturally at room temperature or forced by baking at a temperature typically of 50 to 100 ° C.
  • thermo-degradable organic binder This may in particular be of the polyurethane type, for example of the "Isocure” type from Ashland, with a content typically, but not exclusively, of 2 to 4% by mass percentage, or else of the liquid silicone type, example "RTV” to a component of the company "Plastelec” at a content typically, but not exclusively, 1 to 3% by weight percentage.
  • the mixture is then placed for example in a core-box type tooling with a conventional clamping pressure for this type of tool, and the polymerization is then carried out, as above, naturally at room temperature or forced by steaming. at a temperature of typically 50 to 100 ° C, preferably 80 ° C, for half an hour to three quarters of an hour.
  • thermo-degradable material for producing in the foam orifices or other "empty", that is to say, free, shapes. of metal.
  • the preform is then extracted from the forming / clamping tool and then stored to evacuate the solvents, in the ambient air for a few hours or in an oven typically between 80 and 150 ° C for half an hour to two hours.
  • the preform is then ready for the operation of molding and infiltration by the liquid aluminum alloy, which is preferably made by casting of the type "Low- Pressure ", the pressure of the liquid metal obtained by this method, typically 700 mbar to 1.5 bar, after a rising ramp from 1 to 2s, facilitating penetration of the alloy into the interstices of a preform.
  • the liquid aluminum alloy which is preferably made by casting of the type "Low- Pressure ", the pressure of the liquid metal obtained by this method, typically 700 mbar to 1.5 bar, after a rising ramp from 1 to 2s, facilitating penetration of the alloy into the interstices of a preform.
  • the preform Before being placed in the mold, which may be of the "permanent metallic” or “destructible sand” or mixed type, the preform may be preheated, at a temperature of typically 150 to 250 ° C.
  • the most commonly used alloy is AlSi7Mg0.6, but any other type of casting alloy with good flowability can be used.
  • the casting temperature is typically 800 to 820 ° C.
  • the tube and the supply system are filled, then the ramp for increasing the pressure, typically from 700 mbar to 1.5 bar, and preferably from 700 mbar to 1 bar, is applied with a time generally of 1 to 2 seconds.
  • the part obtained is then extracted, either by simple demolding in the case of a metal mold, or by destruction of the vibrating grid mold, an operation known to those skilled in the art under the name of shakeout.
  • An additional decomposition of the silicone residues in silica powder can also be carried out at a temperature of the order of 400 to 450 ° C. if it is not desired to wait for its natural decomposition during the cooling of the part or if the decomposition is not complete at its end.
  • the final discharge of the silica powder is generally carried out by vibrating and blowing compressed air, possibly by pressurized water.
  • the manufacture of the preform is quite easy and the latter is strong enough to make it easy to handle, making it possible to obtain larger foam dimensions than by the methods of the prior art.
  • the silicone elastomer known under the reference SI 70, with a hardness of 70 shore, of the company "Plastelec" was used as basic material.
  • the constituent elements of the preform were obtained by cutting using a grainy section of length 3 mm.
  • the elements were kneaded with a binder of the liquid silicone type, in this case "RTV” with a component of the company “Plastelec”, at a content of 2.2% expressed as a percentage by weight, ie 40 g of binder for 1.6 kg of hollow cylindrical granules. They were then set up in the footprint of a box with size cores
  • the polymerization was carried out in the ambient air, with a break-up after 3 hours.
  • the preform obtained was baked for 2 hours at 150 ° C. for solvent evacuation.
  • the preform was preheated to 150 ° C and placed in a sand mold whose imprint had substantially the same dimensions.
  • the AlSi7Mg0.6 type alloy was cast in "Low-Pressure” mode at 815 ° C, with filling of the tube and the supply system, then that of the impression was made during the pressure rise final of 791 mbar, in 1.6 s.
  • the mold was unchecked on a vibrating grid, the deburred part, and the machined faces, then the remaining silica powder was removed by vibration and final blow with compressed air.
  • the foam obtained was 218 mm ⁇ 218 mm ⁇ 40 mm and by weight
  • RTV with a component of the company "Plastelec”, at a content of 2% expressed as a percentage by weight, ie 30 g of binder per 1.6 kg of solid cylindrical granules.
  • Two cylindrical molding cores in agglomerated sand, with a diameter of 35 mm and a length of 40 mm, over the entire thickness of the preform, and two aluminum alloy tubes of the AA 5086 type with an outside diameter of 12 mm and with thickness 0.8 mm, in a direction perpendicular to the cores, were also placed in the heart of the set.
  • the polymerization was carried out partly in an oven for 1 h at 80 ° C, then at room temperature, with a breakup after 2 hours in total.
  • the preform obtained was not parboiled.
  • the density of the preform obtained was 0.73.
  • the preform was preheated to 150 ° C and placed in a sand mold whose imprint had substantially the same dimensions.
  • the AlSi7Mg0.6 type alloy was cast in "Low-Pressure” mode at 809 ° C, with filling of the tube and the supply system, then that of the impression was made during the pressure rise final of 720 mbar, in 1.4 s.
  • the mold was unchecked on a vibrating grid, the deburred part, and the machined faces, then the remaining silica powder was removed by vibration and final blow with compressed air.
  • the resulting foam was 225 mm x 225 mm x 40 mm and weighed 1.4 kg.
  • It contains the two orifices of a diameter of substantially 35 mm and passing through the foam throughout its thickness, left by the cores, and the aluminum alloy tubes, in this case in a direction perpendicular to the cores, and over a whole length of the foam.

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Abstract

L'invention a pour objet un procédé de fabrication d'une mousse en alliage d'aluminium, consistant essentiellement dans l'infiltration par l'alliage d'aluminium liquide des interstices d'une préforme constituée d'éléments en élastomère de silicone, par un procédé de moulage conventionnel, typiquement du type « Basse- Pression », suivie par l'élimination de la préforme décomposée, lors du cycle de moulage et/ou d'étuvage complémentaire, en poudre de silice.

Description

Procédé de fabrication par moulage d'une mousse en alliage d'aluminium. Domaine de l'invention
L'invention concerne le domaine de la fabrication, par la voie du moulage, de matériaux métalliques très poreux, connus sous le nom de mousses ou éponges métalliques ou matériaux métalliques micro cellulaires ou encore à cellules ouvertes (« open celled métal foams »), tous se caractérisant par une porosité d'au moins 10 %, et typiquement de 60 à 80 .
De nombreux procédés d'obtention de ce type de matériau ont été développés à ce jour et sont décrits notamment dans « Métal Foams: A Design Guide », M. F. Ashby, A. G. Evans, N. A. Fleck, L. J. Gibson, J. W. Hutchinson, H. N. G. Wadley, 2000, Butterworth-Heinemann, [J. Banhart, Progress in Materials Science 46 (2001) 559- 632], http://www.metalfoam.net/.
Plus précisément, l'invention concerne un procédé de fabrication de ce type de mousse en alliage d'aluminium par la voie du moulage, soit par infiltration des interstices d'une préforme ou noyau destructible, en l'occurrence constituée d'éléments en élastomère de silicone.
Les produits peuvent être utilisés, en remplacement des matériaux à structure en nid d'abeille ou ailettes, dans la fabrication d'échangeurs thermiques industriels en général ou pour l'automobile, le nucléaire, les échangeurs passifs de refroidissement des circuits électriques ou électroniques de puissance, d'éclairage par diodes LED, l'isolation acoustique, l'absorption d'énergie notamment de choc dans le domaine automobile, etc ..
Etat de la technique De nombreuses références existent, relatives à la fabrication de « mousses d'aluminium » par la voie du moulage.
Les divers procédés mis en œuvre à cet effet sont récapitulés notamment dans [M. F. Ashby, A.G. Evans, N. A. Fleck, L. J. Gibson, J. W. Hutchinson, H. N. G. Wadley « Métal Foams: A Design Guide » Butterworth-Heinemann, Boston, (2000)], [J. Banhart, Progress in Materials Science 46 (2001) 559-632], [Y. Conde, J-F. Despois, R. Goodall, A. Marmottant, L. Salvo, C. San Marchi & A. Mortensen, Advanced Engineering Materials 8 (9) 795-803 (2006)].
Ils regroupent différentes méthodes:
L'une d'elles, reposant sur le « moulage de précision à modèle perdu », est décrite dans [Y.Yamada, K. Shimojima, Y. Sakaguchi, M. Mabuchi, N. Nakamura, T. Asahina, T. Mukai, H. Kanahashi & K. Higashi, Journal of Materials Science Letters, 18 (1999) 1477-1480]. Elle est encore connue sous l'appellation de méthode par réplication. Elle consiste à recouvrir une mousse réticulée, typiquement en polyuréthane, d'une barbotine de produit réfractaire qui est ensuite séchée chauffée pour consolider le moule et éliminer le précurseur de polyuréthane. Le métal est ensuite coulé dans le moule ainsi constitué qui est ensuite détruit de façon conventionnelle.
J Banhart, dans [Progress in Materials Science 46 (2001) 559-632] fait référence à un procédé dans lequel une préforme est réalisée en sable aggloméré par un liant qui se décompose sous l'effet de la chaleur au cours de son infiltration par le métal liquide et sa solidification, ce qui permet son « débourrage » ultérieur.
Le « Fraunhofer Institute » de Bremen décrit un procédé selon lequel une préforme en granulés de polymère serait infiltrée en moulage du type « Sous- Pression », typiquement par squeeze-casting, par un alliage d'aluminium, après quoi la préforme de polymère serait éliminée par action thermique.
http://www.if arn.fraunhofer.de/index.php?seite=/2801/leichtbauwerkstoffe/offenporo ese-strukturen/ &lang=en
Cette référence est citée par l'« Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne » dans sa demande WO2008/099014.
Toutefois, tous les essais réalisés par la demanderesse en utilisant des granulés de cellulose acétate de butyrate (CAB), époxyde (EP), polyamide (PA), polyéthylène (PE), phénol formaldéhide (PF), polyméthacrylate de méthyle (PMMA), polypropylène (PP), polytétrafluoroéthylène (PTFE), polychlorure de vinyle (PVC) ou encore polyfluorure de vinylidène (PVDF) et en tentant une infiltration par coulée conventionnelle du type « basse-Pression » se sont ainsi avérés vains, du fait de la fusion du matériau polymère. A. Berg, W. Maysenhôlder et M. Haesche du « Fraunhofer Institute », dans « Noise Réduction by Open-Pore Aluminium Foam » (2003), rapportent des productions expérimentales d'échantillons de mousse en AlSi9Cu3 par infiltration, en moulage du type « Sous-Pression » à 250 bars, de préformes de billes de polystyrène frittées. Après usinage, le polymère est éliminé des échantillons par traitement thermique de 2h à 400°C. Une alternative est toutefois proposée aux granulés de polystyrène, en l'occurrence des billes de sel.
Le brevet FR 2 921 281 du « Centre technique des Industries de la Fonderie » (CTIF) décrit un procédé dans lequel la préforme est réalisée à base de billes de sel ou de kaolin, agglomérées par un liant typiquement en polyuréthane qui se décompose au cours de l'infiltration par le métal liquide et pendant sa solidification. Les billes sont ensuite éliminées par action d'un solvant.
Cette méthode est toutefois limitative du fait de la taille et la forme des billes, de leur répartition nécessairement isotrope, de la vitesse relativement lente de dissolution de la préforme par solvant, tout comme l'aspect délicat de sa mise en œuvre, surtout dans un contexte de production industrielle.
L' « Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne », dans sa demande WO2008/099014 et son brevet correspondant EP 2 118 328, décrit un procédé dérivé dans lequel la préforme est fabriquée par mélange de particules de sel broyées, d'un liant organique thermo dégradable, typiquement de farine de grains de glucide broyés, et d'un agent mouillant, façonnage de ce produit appelé « pâte à sel » en une préforme aérée à espace poreux ouvert, suivi d'une évaporation de l'agent mouillant et d'une cuisson pour décomposer le liant puis durcir la préforme à une température de 400-500°C, puis de l'infiltration. La préforme est ensuite éliminée par un solvant. Cette méthode présente les inconvénients d'une étape de fabrication de la préforme relativement fastidieuse, nécessitant un pressage lors du formage/façonnage, ce qui limite les formes de grain accessibles, du risque de formation d'agglomérats non visibles lors du façonnage, du fait de l'agent mouillant dont l'élimination peut ne pas être totale et de l'hygrométrie ambiante, et de la nécessité d'une évaporation et d'une cuisson du type pyrolyse délicate.
Par ailleurs, la préforme obtenue est relativement fragile, ce qui rend sa manipulation malaisée, notamment pour sa mise en place dans le moule, et limite les dimensions accessibles. D'autre part, l'évacuation de la préforme par solvant s'avère là aussi pénalisante, surtout dans un contexte de production industrielle, et le recyclage du sel est une nécessité, compte-tenu des contraintes environnementales et de coût, mais il génère également des coûts d'investissement et de production supplémentaires.
Par ailleurs, du fait de cette utilisation de sel, une teneur résiduelle en chlorures est généralement notable sur la « mousse d'aluminium » ce qui a un effet défavorable à la résistance en corrosion du produit. Cette teneur peut être réduite à un taux acceptable, mais au prix d'un rinçage adapté de la mousse, avec évidemment une incidence sur son coût.
Enfin, la forme et la distribution des porosités de la mousse obtenue sont relativement isotropes et peu maîtrisables.
Problème posé La présente invention se propose d'apporter une solution aux divers problèmes précités en autorisant :
1) La fabrication aisée de la préforme à partir de seuls granulés et d'un liant thermo destructible, voire sans liant,
2) L'obtention d'une préforme suffisamment résistante pour rendre sa manipulation aisée et obtenir des dimensions de mousses plus importantes que par les procédés de l'art antérieur, avec la possibilité d'assembler éventuellement plusieurs préformes,
3) L'obtention d'une porosité ouverte isotrope ou anisotrope parfaitement maîtrisable,
4) La possibilité d'insérer dans la préforme au cours de sa fabrication des tubes métalliques, typiquement destinés à servir de tubes d'échangeurs thermiques, mais aussi par exemple en verre du type pyrex, ou des « noyaux » pour créer dans la mousse des orifices ou autres formes vides,
5) La destruction de la préforme au cours de infiltration/solidification, totale ou presque, soit ne nécessitant qu'un étuvage rapide ultérieur, de la préforme en une poudre facilement évacuable,
6) La possibilité d'utiliser un procédé de moulage relativement standard et répandu, comme la coulée en « Basse-Pression » en moule en sable ou permanent. Objet de l'invention
L'invention a pour objet un procédé de fabrication d'une mousse en alliage d'aluminium, soit un matériau à cellules ouvertes présentant une porosité typiquement de 60 à 80 %, consistant essentiellement dans l'infiltration par l'alliage d'aluminium liquide des interstices d'une préforme constituée essentiellement (soit à plus de 50% et préférentiellement à plus de 80%) d'éléments en élastomère de silicone, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes :
a) Fabrication des éléments constitutifs de la préforme, typiquement par extrusion à travers une filière et découpe, typiquement à l'aide d'une granuleuse, en tronçons d' élastomère de silicone,
b) Agglomération des dits éléments, typiquement par mélange à l'aide d'un malaxeur en présence de liant et formage dans un outillage du type « boîte à noyau » de moulage, ou par serrage direct dans ladite boîte à noyau ou dans un outil de formage sous presse,
c) Polymérisation naturelle ou forcée par étuvage à une température typiquement de 50 à 100°C,
d) Déboîtage de la préforme,
e) Stockage à l'air ambiant ou en étuve typiquement entre 80 et 150°C, pour évacuer les solvants,
f) Mise en place de la préforme dans un moule en sable ou métallique conventionnel,
g) Coulée de l'alliage d'aluminium dans le moule, typiquement par un procédé du type « Basse-Pression » soit comportant une surpression typiquement de 700 mbar à 1.5 bars, préférentiellement de 700 mbar à 1.0 bar, à une température typiquement de 800 à 820°C,
h) Démoulage de l'ensemble obtenu composé de la mousse d'aluminium et de silicone plus ou moins décomposé en poudre de silice,
i) Eventuellement fin de décomposition du silicone par étuvage à une température de l'ordre de 400 à 450°C et évacuation de la poudre de silice typiquement par décochage manuel ou vibration et/ou soufflage, éventuellement par eau sous pression. Selon un mode de réalisation particulière, les dits éléments en élastomère de silicone sont formés en billes sensiblement sphériques avant l'étape b) d'agglomération. Pour ce faire, les tronçons extrudés, après découpage à l'aide d'une granuleuse, sont arrondis dans une machine à former, typiquement entre deux flasques en mouvement. Les éléments constitutifs de la préforme ont, préférentiellement, un diamètre extérieur circonscrit de 2 à 10 mm. On entend par là, dans le cas d'éléments élancés du type joncs, tubes ou cylindres, le diamètre extérieur circonscrit perpendiculairement à la longueur.
Selon un autre mode également préférentiel, ils ont une longueur de 2 à 10 mm.
Selon une variante du procédé, l'agglomération des éléments constitutifs de la préforme est réalisée à l'aide d'un liant du type silicone liquide à une teneur de 1 à 3 % exprimée en pourcentage massique.
Selon une autre variante, l'agglomération des éléments constitutifs de la préforme est réalisée à l'aide d'un liant du type résine de polyuréthane liquide à une teneur de 2 à 4 % exprimée en pourcentage massique.
On notera également qu'il est tout à fait possible d'agglomérer les éléments constitutifs de la préforme, en particulier lorsqu'il s'agit de billes, sans liant, par simple serrage dans un outillage sous presse.
Selon le mode de réalisation le plus courant, la densité de la préforme obtenue est comprise entre 0.5 et 0.8.
Selon un mode de réalisation particulièrement avantageuse, l'étape b) d'agglomération comporte la mise en place d'un ou plusieurs tubes, typiquement en alliage d'aluminium, pour utilisation de l'ensemble « tube plus mousse » dans la réalisation d'échangeurs thermiques à tubes, ou en verre du type pyrex, pour utilisation du produit obtenu notamment dans le domaine médical.
Préférentiellement, la préforme est préchauffée à une température typiquement de 150 à 250°C avant mise en place dans le moule.
Enfin, préférentiellement, les préformes, et la mousse d'alliage d'aluminium obtenue, ont un encombrement minimum de 50 mm x 50 mm et maximum de 350 mm x 350 mm en épaisseurs respectives de 10 à 100 mm et 15 à 80 mm. Description de l'invention
L'invention repose sur la constatation faite par la demanderesse que l'élastomère de silicone, bien connu de l'homme du métier car utilisé pour réaliser des tubes ou cylindres comme précurseurs de canaux de tirage d'air dans les moules ou noyaux, utilisés eux-mêmes en moulage d'alliages d'aluminium, résistaient sans fondre à la coulée des dits alliages d'aluminium, soit à des températures de l'ordre de grandeur de 800°C, le métal se solidifiant à leur contact, avant de se décomposer essentiellement en poudre de silice sous l'effet de la chaleur produite lors de la coulée et de la solidification.
Ce matériau est donc apparu comme particulièrement adapté à la réalisation de préformes ou noyaux destructibles en lieu et place des préformes de billes de sel ou de kaolin ou de pâte à sel, de l'art antérieur, pour la fabrication de mousse d'aluminium par infiltration d'alliage d'aluminium dans les interstices laissés libres de ladite préforme, solidification et élimination de la poudre de silice.
A cet effet, un élastomère de silicone, par exemple connu sous les références SI 50 à 80 de la société « Plastelec » et de préférence SI 70, d'une dureté de 70 shore, est utilisé comme matériau de base.
Il est mis en forme, par exemple par extrusion, en éléments allongés de formes très variées, soit cylindres, tubes, à sections en étoiles ou polygones, pleins ou tubulaires, joncs, etc....
Les diamètres extérieurs circonscrits de ces éléments allongés, soit d'une section sensiblement perpendiculaire à l'axe d'extrusion, sont typiquement mais de façon non exclusive, de 2 à 10 mm.
Les dits éléments sont alors découpés, par exemple à l'aide d'une granuleuse, en tronçons de longueur, typiquement, mais de façon non exclusive, de 2 à 10 mm, qui seront appelés éléments constitutifs de la préforme.
Ils peuvent être à ce stade utilisés tels quels pour l'étape suivante ou façonnés, en particulier dans le cas d'éléments non creux, sous forme de billes, c'est-à-dire arrondis par exemple dans une machine à former, soit, le plus généralement, entre deux flasques en mouvement. Les dits éléments constitutifs, éventuellement sous forme de billes, peuvent alors être, selon une variante de l'invention, agglomérés tels quels dans un outillage de serrage sous faible pression du type « boîte à noyau ».
La polymérisation est alors réalisée de façon naturelle à température ambiante ou forcée par étuvage à une température typiquement de 50 à 100°C.
Une autre variante de l'invention consiste à mélanger, par exemple dans un malaxeur du type pétrin, les dits éléments en présence d'un liant organique thermo dégradable. Celui-ci peut être notamment du type polyuréthane, par exemple du type « Isocure » de la société Ashland, à une teneur typiquement, mais de façon non exclusive, de 2 à 4 % en pourcentage massique, ou encore du type silicone liquide, par exemple « RTV » à un composant de la société « Plastelec », à une teneur typiquement, mais de façon non exclusive, de 1 à 3 % en pourcentage massique.
Le mélange est placé ensuite par exemple dans un outillage du type boîte à noyau avec une pression de serrage conventionnelle pour ce type d'outillage, et la polymérisation est alors réalisée, comme ci-dessus, de façon naturelle à température ambiante ou forcée par étuvage à une température typiquement de 50 à 100°C, préférentiellement de 80°C, pendant une demi heure à trois quarts d'heure.
On notera qu'avant ou pendant la mise en place dans l'outillage de serrage, d'autres éléments peuvent être introduits parmi les éléments constitutifs de la préforme, comme par exemple des tubes en alliage d'aluminium (ou autre), ce qui s'avère particulièrement intéressant dans le cadre de la fabrication ultérieure d'échangeurs thermiques à tubes, ou en verre de type pyrex, pour applications dans le domaine médical.
On peut également introduire parmi les éléments constitutifs de la préforme des noyaux, en sable aggloméré de moulage, ou autre matériau de préférence thermo dégradable, pour réaliser dans la mousse des orifices ou autres formes « vides », c'est-à-dire exemptes de métal.
La préforme est ensuite extraite de l'outillage de formage/serrage puis stockée pour évacuer les solvants, à l'air ambiant pendant quelques heures ou en étuve typiquement entre 80 et 150°C pendant une demi heure à deux heures.
La préforme est alors prête pour l'opération de moulage et d'infiltration par l'alliage d'aluminium liquide, qui est de préférence réalisée par coulée du type « Basse- Pression » , la surpression du métal liquide obtenue par ce procédé, typiquement de 700 mbar à 1.5 bar, à l'issue d'une rampe de montée de 1 à 2s, facilitant la pénétration de l'alliage dans les interstices de l'a préforme.
Avant sa mise en place dans le moule, qui peut être du type « métallique permanent » ou du type « sable destructible » ou mixte, la préforme peut être préchauffée, à une température typiquement de 150 à 250°C.
On procède alors à la coulée du type « Basse-Pression » de façon classique.
L'alliage le plus couramment utilisé est du type AlSi7Mg0.6, mais tout autre type d'alliage de moulage présentant une bonne coulabilité peut être utilisé.
Dans le premier cas, la température de coulée est typiquement de 800 à 820°C. On procède au remplissage du tube et du système d'alimentation, puis la rampe de montée en pression, typiquement de 700 mbar à 1.5 bars, et préférentiellement de 700 mbar à 1 bar, est appliquée avec un temps généralement de 1 à 2s.
La pièce obtenue est alors extraite, soit par simple démoulage dans le cas d'un moule métallique, soit par destruction du moule sur grille vibrante, opération connue de l'homme du métier sous le nom de décochage.
On peut procéder à ce stade à l'ébarbage et au dressage ou usinage des faces de la pièce.
Un complément de décomposition des résidus de silicone en poudre de silice peut également être réalisé à une température de l'ordre de 400 à 450°C si l'on ne souhaite pas attendre sa décomposition naturelle au cours du refroidissement de la pièce ou si la décomposition n'est pas totale à son issue.
L'évacuation finale de la poudre de silice s'effectue généralement par vibration et soufflage d'air comprimé, éventuellement par de l'eau sous pression.
On notera que ce procédé répond parfaitement au problème posé et présente de nombreux avantages par rapport à l'état de la technique:
La fabrication de la préforme est tout à fait aisée et cette dernière est suffisamment résistante pour rendre sa manipulation facile, permettant d'obtenir des dimensions de mousse plus importantes que par les procédés de l'art antérieur.
Il est par ailleurs possible d'assembler plusieurs préformes, par exemple par collage, pour obtenir des mousses d'encombrement plus important. En fonction de l'organisation des éléments constitutifs de la préforme, de leur choix et mixage éventuel, il est possible d'obtenir une porosité ouverte isotrope ou anisotrope, et ce de façon parfaitement maîtrisée.
L'insertion dans la préforme au cours de sa fabrication de tubes en alliage d'aluminium, typiquement destinés à servir de tubes d'échangeurs thermiques, mais aussi par exemple en verre du type pyrex, ou encore de noyaux, est tout à fait possible, alors que le mode de fabrication des préformes de l'art antérieur et/ou la nécessité d'une étape de pyrolyse, comme dans le cas de la pâte de sel, à 500°C, compromettent ce type d'opération.
La destruction de la préforme en une poudre, au cours de Γ infiltration/solidification ou ne nécessitant qu'un étuvage rapide ultérieur, est également un avantage très appréciable par rapport aux préformes de l'art antérieur pour lesquelles cette étape est souvent très pénalisante.
Enfin, le procédé de moulage utilisé, par coulée en « Basse-Pression » est tout à fait standard et répandu, sans adaptation particulière.
Dans ses détails, l'invention sera mieux comprise à l'aide des exemples ci-après, qui n'ont toutefois pas de caractère limitatif. Exemples
Exemple 1
L'élastomère de silicone connu sous la référence SI 70, d'une dureté de 70 shore, de la société « Plastelec » a été utilisé comme matériau de base.
Il a été extrudé en tubes cylindriques de diamètres extérieur 3 mm et intérieur 1.7 mm.
Les éléments constitutifs de la préforme ont été obtenus par découpe à l'aide d'une granuleuse de tronçons de longueur 3 mm.
Les éléments ont été malaxés avec un liant du type silicone liquide, en l'occurrence « RTV » à un composant de la société « Plastelec », à une teneur de 2.2 % exprimée en pourcentage massique, soit 40 g de liant pour 1.6 kg de granulés cylindriques creux. Ils ont alors été mis en place dans l'empreinte d'une boîte à noyaux de dimensions
233 mm x 233 mm x 40 mm dont ils occupaient tout l'espace.
La polymérisation s'est effectuée à l'air ambiant, avec un déboîtage au bout de 3 heures.
La préforme obtenue a été étuvée pendant 2 h à 150°C pour évacuation des solvants. La densité de la préforme obtenue, de dimensions 233 mm x 233 mm x 40 mm, était de 0.73.
La préforme a été préchauffée à 150°C et placée dans un moule en sable dont l'empreinte possédait sensiblement les mêmes dimensions.
L'alliage du type AlSi7Mg0.6 a été coulé en mode « Basse-Pression » à 815°C, avec remplissage du tube et du système d'alimentation, puis celui de l'empreinte s'est effectué lors de la montée en pression finale de 791 mbar, en 1.6 s.
Après solidification et refroidissement, le moule a été décoché sur grille vibrante, la pièce ébarbée, et les faces usinées, puis la poudre de silice restante a été éliminée par vibration et soufflage final à l'air comprimé.
La mousse obtenue avait pour dimensions 218 mm x 218 mm x 40 mm et pour poids
1.5 kg.
Sa densité calculée était de 0.8 et sa porosité ouverte de 71%. Exemple 2
Le même élastomère de silicone que précédemment a été utilisé.
Il a été extrudé en joncs, soit des cylindres pleins, de diamètre 5 mm.
Ils ont été découpés comme précédemment en tronçons de longueur 5 mm.
Les éléments ont été malaxés avec un liant du type silicone liquide, en l'occurrence
« RTV » à un composant de la société « Plastelec », à une teneur de 2 % exprimée en pourcentage massique, soit 30 g de liant pour 1.6 kg de granulés cylindriques pleins.
Ils ont alors été mis en place dans l'empreinte d'une boîte à noyaux de dimensions
233 mm x 233 mm x 40 mm dont ils occupaient tout l'espace.
Deux noyaux de moulage cylindriques, en sable aggloméré, de diamètre 35 mm et de longueur 40 mm, soit sur toute l'épaisseur de la préforme, et deux tubes en alliage d'aluminium du type AA 5086 de diamètre extérieur 12 mm et d'épaisseur 0.8 mm, selon une direction perpendiculaire aux noyaux, ont également été placés au cœur de l'ensemble. La polymérisation s'est effectuée en partie en étuve pendant 1 h à 80°C, puis à température ambiante, avec un déboîtage au bout de 2 heures au total.
La préforme obtenue n'a pas été étuvée.
La densité de la préforme obtenue, de dimensions 233 mm x 233 mm x 40 mm, était de 0.73.
La préforme a été préchauffée à 150°C et placée dans un moule en sable dont l'empreinte possédait sensiblement les mêmes dimensions.
L'alliage du type AlSi7Mg0.6 a été coulé en mode « Basse-Pression » à 809°C, avec remplissage du tube et du système d'alimentation, puis celui de l'empreinte s'est effectué lors de la montée en pression finale de 720 mbar, en 1.4 s.
Après solidification et refroidissement, le moule a été décoché sur grille vibrante, la pièce ébarbée, et les faces usinées, puis la poudre de silice restante a été éliminée par vibration et soufflage final à l'air comprimé.
La mousse obtenue avait pour dimensions 225 mm x 225 mm x 40 mm et pour poids 1.4 kg.
Sa densité calculée était de 0.7 et sa porosité ouverte de 74%.
On y retrouve les deux orifices d'un diamètre sensiblement de 35 mm et traversant la mousse dans toute son épaisseur, laissés par les noyaux, ainsi que les tubes en alliage d'aluminium, en l'occurrence dans une direction perpendiculaire aux noyaux, et sur tout une longueur de la mousse.

Claims

Procédé de fabrication d'une mousse en alliage d'aluminium, soit un matériau à cellules ouvertes présentant une porosité typiquement de 60 à 80 %, consistant essentiellement dans l'infiltration par l'alliage d'aluminium liquide des interstices d'une préforme constituée essentiellement d'éléments en élastomère de silicone, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes :
a) Fabrication des éléments constitutifs de la préforme, typiquement par extrusion à travers une filière et découpe en tronçons d'élastomère de silicone, b) Agglomération des dits éléments, typiquement par mélange à l'aide d'un malaxeur en présence de liant et formage dans un outillage du type « boîte à noyau » de moulage, ou par serrage direct dans ladite boîte à noyau ou dans un outil de formage sous presse,
c) Polymérisation naturelle ou forcée par étuvage à une température typiquement de 50 à 100°C,
d) Déboîtage de la préforme,
e) Stockage à l'air ambiant ou en étuve typiquement entre 80 et 150°C, pour évacuer les solvants,
f) Mise en place de la préforme dans un moule en sable ou métallique conventionnel,
g) Coulée de l'alliage d'aluminium dans le moule, typiquement par un procédé du type « Basse-Pression » soit comportant une surpression typiquement de 700 mbar à 1.5 bars, préférentiellement de 700 mbar à 1.0 bar, à une température typiquement de 800 à 820°C,
h) Démoulage de l'ensemble obtenu composé de la mousse d'aluminium et de silicone plus ou moins décomposé en poudre de silice,
i) Eventuellement fin de décomposition du silicone par étuvage à une température de l'ordre de 400 à 450°C et évacuation de la poudre de silice typiquement par décochage manuel ou vibration et/ou soufflage, éventuellement par eau sous pression.
2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que les dits éléments en élastomère de silicone sont formés en billes sensiblement sphériques avant l'étape b) d'agglomération,
3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que les éléments constitutifs de la préforme ont un diamètre extérieur circonscrit de 2 à 10 mm,
4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que les éléments constitutifs de la préforme ont une longueur de 2 à 10 mm,
5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que l'agglomération des éléments constitutifs de la préforme est réalisée à l'aide d'un liant du type silicone liquide à une teneur de 1 à 3 % exprimée en pourcentage massique,
6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que l'agglomération des éléments constitutifs de la préforme est réalisée à l'aide d'un liant du type résine de polyuréthane liquide à une teneur de 2 à 4 % exprimée en pourcentage massique,
7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que la densité de la préforme est comprise entre 0.5 et 0.8,
8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que l'étape b) d'agglomération comporte la mise en place d'au moins un tube typiquement en alliage d'aluminium ou en verre du type pyrex,
9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8 caractérisé en ce que la préforme est préchauffée à une température typiquement de 150 à 250°C avant mise en place dans le moule.
10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9 caractérisé en ce que les préformes et la mousse obtenue ont un encombrement minimum de 50 mm x 50 mm et maximum de 350 mm x 350 mm en épaisseurs respectives de 10 à 100 mm et 15 à 80 mm.
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