EP3194094A1 - Modele perdu destine a être utilise en fonderie - Google Patents

Modele perdu destine a être utilise en fonderie

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EP3194094A1
EP3194094A1 EP15753404.1A EP15753404A EP3194094A1 EP 3194094 A1 EP3194094 A1 EP 3194094A1 EP 15753404 A EP15753404 A EP 15753404A EP 3194094 A1 EP3194094 A1 EP 3194094A1
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Jean Marc BIZEAU
Franck Hautefeuille
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PSA Automobiles SA
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Peugeot Citroen Automobiles SA
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    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C7/00—Patterns; Manufacture thereof so far as not provided for in other classes
    • B22C7/02—Lost patterns
    • B22C7/023—Patterns made from expanded plastic materials
    • B22C7/026—Patterns made from expanded plastic materials by assembling preformed parts
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/02—Sand moulds or like moulds for shaped castings
    • B22C9/04—Use of lost patterns
    • B22C9/046—Use of patterns which are eliminated by the liquid metal in the mould

Definitions

  • the volume of the closed recess or at least one of them is distributed differently between the two recess portions that define it.
  • one of the recess portions defines more than 50% of the total volume of the complete recess, for example 60, 70 or even 90% and more.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Cylinder Crankcases Of Internal Combustion Engines (AREA)
  • Molds, Cores, And Manufacturing Methods Thereof (AREA)

Abstract

L'invention a pour objet un modèle perdu (M) destiné à être utilisé en fonderie pour l'obtention de pièces métalliques et comportant un empilement de strates (1,2,3,4,5) assemblées les unes aux autres par collage. Ledit modèle perdu comprend au moins un évidement clos (6,7) qui est défini conjointement par deux portions d'évidement appartenant respectivement à deux strates successives (3,4), dites respectivement strate inférieure (3) et strate supérieure (4), dans l'empilement.

Description

MODELE PERDU DESTINE A ETRE UTILISE EN FONDERIE
[0001] L'invention est du domaine du moulage en fonderie utilisant un modèle perdu. Elle est relative aux modèles perdus utilisés pour la fabrication d'une pièce de fonderie, et au procédé d'assemblage de parties constitutives de modèles perdus.
[0002] Dans le domaine de la fonderie, il est connu de fabriquer une pièce en un matériau métallique à partir de l'utilisation d'un modèle perdu. Ce dernier présente une conformation et des dimensions identiques à la pièce souhaitée. Le modèle perdu est formé d'une matière sublimable, telle que par exemple le polystyrène, le polyuréthane ou le polyéthylène. Le modèle perdu est placé à l'intérieur d'une matrice constituée de sable qui reçoit le matériau métallique en fusion. Au contact du matériau métallique en fusion, la matière sublimable est sublimée pour laisser place au matériau métallique. Après refroidissement de ce dernier, la pièce métallique obtenue est de forme et de dimensions identiques à celles du modèle perdu. [0003] Une utilisation de cette technologie intéressant la présente invention est le moulage de pièces métalliques de fonderie, notamment des pièces de moteur thermique comme des culasses. Le modèle perdu utilisé dans ce type de technologie est généralement en polystyrène expansé.
[0004] Comme cela est, par exemple, décrit dans le brevet EP- 2 052 799 ou dans le brevet EP- 2 357 049 ou encore dans le brevet EP- 2 397 245, des pièces moulées en polystyrène, dans ce cas appelées strates, peuvent être, après moulage, assemblées pour constituer des modèles de fonderie appelés « modèles non permanents » ou « modèles perdus », puisque les modèles seront détruits et remplacés par du métal en fusion lors du moulage des pièces métalliques. Cette assemblage est nécessaire notamment quand les pièces de fonderie à obtenir sont de forme complexe, ce qui est le cas des culasses de moteur.
[0005] L'assemblage des strates se fait généralement par collage, par exemple à l'aide d'une colle thermofusible. Un exemple de technique d'encollage par pulvérisation d'une colle à base de polyuréthane en émulsion aqueuse est donné dans le brevet FR- 2 768 068.
[0006] Prenons l'exemple d'une coulée en aluminium en fusion sur un modèle perdu en polystyrène expansé : pendant la coulée, le polystyrène se vaporise sous l'effet de la chaleur, et l'aluminium liquide prend la place du polystyrène avant de se solidifier. Lors de cette coulée, s'opère un dégagement gazeux dû à la vaporisation du polystyrène (et de la colle liant les strates entre elles), ce qui peut entraîner l'apparition de ce que l'on appelle des « soufflures » pendant la solidification de la pièce en aluminium. Ces « soufflures » sont des défauts se manifestant par de la porosité dans la pièce en métal/ de la rugosité à sa surface. Le risque d'apparition de ces défauts est d'autant plus élevé dans les zones où la pièce présente une épaisseur importante.
[0007] L'invention a alors pour but de remédier à cet inconvénient. Elle a notamment pour but de réduire, voire supprimer, l'apparition de défauts du type soufflures dans des pièces métalliques obtenues par fonderie avec des modèles perdus.
[0008] L'invention a pour objet un modèle perdu destiné à être utilisé en fonderie pour l'obtention de pièces métalliques et comportant un empilement de strates assemblées les unes aux autres par collage, tel que ledit modèle perdu comprenant au moins un évidement clos qui est défini conjointement par deux portions d'évidement appartenant respectivement à deux strates successives, dites respectivement strate inférieure et strate supérieure, dans l'empilement.
[0009] On utilisera dans tout le présent texte les termes de strates « inférieure » et « supérieure » et/ou de faces « supérieure » et « inférieure », car le procédé d'assemblage des strates pour constituer le modèle perdu se fait généralement par un empilement de strates verticalement, où l'on commence l'empilement avec une strate, dont la face inférieure est encollée puis posée sur la face supérieure d'une autre strate, l'ensemble des deux strates étant ensuite encollé sur une nouvelle strate dite inférieure etc .. Ces termes spatiaux sont donc indiqués par soucis de concision et de clarté, mais l'invention doit se comprendre comme englobant aussi toute technique d'assemblage où l'empilement de strates se ferait différemment, par exemple selon un axe horizontal (strates disposées selon des plans verticaux) ou verticalement mais en sens inverse (on vient ajouter une strate au-dessus de l'empilement en cours de constitution, au lieu d'ajouter l'empilement en cours de constitution à une strate disposée en dessous de celui-ci). [0010] On comprend également par évidement « clos » le fait que cet évidement ne soit pas débouchant une fois le modèle constitué. Ainsi, notamment, quand on vient disposer le modèle dans le sable de fonderie, ce sable ne peut pas pénétrer dans ceux-ci.
[001 1 ] On inclut également dans la définition de l'invention le fait que l'évidement clos puisse être défini conjointement non pas par deux strates successives, mais trois ou plus.
[0012] On comprend également dans l'esprit de l'invention que ces évidements ne sont pas fonctionnels, en ce sens qu'ils ne participent pas à la forme de la pièce métallique finale, puisque, lors de la coulée, le métal en fusion va remplir ces cavités/évidements, tout comme le métal viendrait remplacer le polystyrène si ces cavités n'existaient pas.
[0013] Il s'est avéré que ces évidements permettaient, de façon surprenante, de limiter les dégagements gazeux à l'origine des soufflures évoquées plus haut, ou, à tout le moins, d'en canaliser mieux l'évacuation : les pièces mécaniques obtenues avec des modèles perdus présentant au moins un de ces évidements clos, et tout particulièrement quand on les localise dans les zones les plus « épaisses » du modèle, sont de meilleure qualité, avec beaucoup moins de soufflures et donc avec un taux de rebut bien inférieur. Ceci a notamment pu être vérifié lors de la production de pièces métalliques pour faire des moteurs thermiques, notamment des culasses de moteur. En effet, les culasses sont faites à partir de moules perdus constitués de nombreuses strates, généralement au moins quatre ou cinq, toutes de formes complexes et venant s'emboiter les unes dans les autres, et présentent certaines zones assez « épaisses », notamment à proximité des zones d'appui des soupapes, propices à l'apparition de soufflures. C'est pour ce type de pièce aux formes complexes que l'invention est la plus avantageuse. [0014] De préférence, le modèle perdu selon l'invention comprend plusieurs évidements clos. Pour l'exemple de la culasse cité plus haut, ce sera notamment dans toutes les zones correspondant aux zones d'appui des soupapes (admission et/ou échappement). [0015] De préférence, le ou les évidements clos sont localisés dans une ou des zones du modèle présentant une épaisseur (y compris celle de l'évidement) d'au moins 10 mm mesurée selon l'axe d'empilement des strates.
[0016] Selon un mode de réalisation, le volume de l'évidement clos ou d'au moins un d'entre eux est réparti de façon sensiblement égale entre les deux portions d'évidement qui le définissent. Donc les deux portions d'évidement (quand, dans le cas le plus fréquent, l'évidement est défini conjointement par deux strates seulement), définissent chacune approximativement la moitié du volume de l'évidement clos complet. On peut aussi prévoir que la forme de ces deux portions d'évidement est analogue, et même qu'elles présentent une symétrie par rapport à leur plan de partage correspondant à la zone d'interface entre les deux strates.
[0017] Selon un autre mode de réalisation, le volume de l'évidement clos ou d'au moins un d'entre eux est réparti différemment entre les deux portions d'évidement qui le définissent. Dans ce cas-là, une des portions d'évidement définit plus que 50% du volume total de l'évidement complet, par exemple 60, 70 voire 90% et plus. On peut avoir ainsi la portion d'évidement complémentaire définissant une part de volume très faible, et venant juste « fermer » l'autre portion.
[0018] Avantageusement, la forme de la paroi de la portion d'évidement appartenant à une strate suit au moins partiellement la forme de la paroi opposée de ladite strate. Ainsi, si on reprend l'exemple des zones d'appui de soupapes de culasses de moteur thermique, on peut prévoir que l'évidement va se trouver localisé en dessous de ce qui correspondra à la surface d'appui de la soupape dans la culasse, et que sa partie supérieure sera plane et parallèle à la surface plane de la strate qui correspondra à la surface d'appui de la soupape. [0019] De préférence, le volume de l'évidement clos ou de l'un d'entre eux au moins est de l'ordre de 1 cm3, notamment entre 0,5 et 1 ,5 cm3.
[0020] Avantageusement l'épaisseur de l'évidement clos ou d'au moins l'un d'entre eux, mesuré selon l'axe d'empilement des strates (c'est-à-dire sa hauteur quand l'axe d'empilement est vertical), est d'environ 1 cm, et notamment comprise entre 0,5 et 1 ,5 cm.
[0021 ] Selon un exemple déjà mentionné, l'invention a également pour objet un tel modèle perdu, qui correspond à la forme d'une culasse ou d'une portion de culasse de moteur thermique, et tel que les évidements clos sont localisés dans les zones correspondant aux appuis des soupapes destinées à être associées à la culasse.
[0022] Notamment dans ce cas de figure, il est alors préférable que les évidements présentent des parois supérieures planes parallèles aux parois supérieures de la strate supérieure correspondant aux appuis de soupapes, plans également. Cette configuration permet notamment d'avoir un volume d'évidement maximal. [0023] L'invention a également pour objet un procédé de réalisation d'un modèle perdu destiné à être utilisé en fonderie pour l'obtention de pièces métalliques et comportant un empilement de strates assemblées les unes aux autres par collage, où le modèle perdu comprend au moins un évidement clos qui est défini conjointement par deux portions d'évidement appartenant respectivement à deux strates successives, dites respectivement strate inférieure et strate supérieure dans l'empilement, et notamment étant comme défini précédemment .
[0024] L'invention a également pour objet un dispositif de mise en œuvre du procédé décrit précédemment, qui comporte le modèle perdu en question.
[0025] L'invention a également pour objet une pièce de fonderie obtenue à partir du modèle perdu décrit plus haut.
[0026] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit d'un mode de réalisation de l'invention, donné à titre d'exemple uniquement et en références aux dessins qui montrent : • figure 1 , une section verticale d'un modèle perdu assemblé selon l'invention et comprenant deux évidements clos définis par deux strates successives du modèle ;
• figure 2, un agrandissement de la figure 1 dans la zone des deux évidements clos ; · figure 3, une vue en perspective des deux strates successives définissant les deux évidements clos selon les figures précédentes.
[0027] Les composants identiques d'une figure à l'autre comportent la même référence. Les figures ne représentent pas nécessairement tous les composants à l'échelle et restent schématiques. [0028] Il est proposé dans l'exemple suivant un modèle perdu pour mouler une pièce métallique par exemple ici à base d'aluminium, en l'occurrence une culasse de moteur thermique de véhicule automobile. On ne rentrera pas dans le détail du moulage à moule perdu, ou dans la fabrication du modèle, on pourra avantageusement se reporter aux brevets cités au préambule de la présente demande décrivant cette technique.
[0029] La figure 1 représente en section verticale le modèle perdu M en polystyrène, composé de 5 strates 1 ,2,3,4,5 assemblées de façon connue par collage selon un empilement selon un axe vertical X. Sont représentés deux évidements 6,7, qui sont entièrement clos dans le modèle perdu complet, et qui ne sont pas « fonctionnels », en ce sens qu'ils ne sont pas destinés à définir la forme de la pièce métallique à produire.
[0030] Des agrandissements de ces deux évidements sont représentés à la figure 2 : ils sont délimités par des cloisons dont une partie appartient à la strate dite inférieure 3 et une partie à la strate dite supérieure 4. L'évidement 6 présente ainsi une section sensiblement trapézoïdale, avec une cloison supérieure appartenant à la strate 4 et définissant une zone plane et oblique 61 qui se trouve en regard d'une zone également plane et oblique 41 appartenant à la face supérieure de la strate 4 (c'est-à- dire la face de la strate 4 dirigée vers la strate suivante, la strate 5. Cette zone 41 correspond, dans la culasse une fois produite, à une zone d'appui des soupapes qui seront montées dans la culasse. La cloison inférieure 62 appartenant à la strate inférieure 3 est incurvée, avec un fond sensiblement plat.
[0031 ] Sans l'évidement 6, on voit que la zone sous cette surface 41 serait relativement « épaisse » (au moins 10 mm), avec, par conséquent, localement, un dégagement gazeux dû à la sublimation du polystyrène plus important, et donc un risque de soufflures dans la pièce métallique. Avec l'évidement 6, on vient « creuser » dans cette partie massive, pour limiter le dégagement gazeux. Le métal va le remplir lors de la coulée, et la forme de la pièce finale reste donc inchangée, que l'évidement 6 soit présent ou non dans le modèle perdu. Par contre, avec l'évidement 6, le taux de rebut sur les culasses a pu chuter significativement.
[0032] Il en est de même pour l'évidement 7 : sa cloison supérieure définir une zone plane oblique 71 qui « suit » également la face extérieure 42 de la strate 4 en regard de ladite paroi et correspondant également à une face d'appui de soupape dans la culasse. Sa cloison inférieure 72 appartenant à la strate inférieure 3 est sensiblement entièrement plane et dans la continuité de la face extérieure de la strate 3.
[0033] On a ainsi un volume important pour l'évidement, et les strates en question restent démoulables lors de leur fabrication.
[0034] On prévoir avantageusement autant d'évidements que de zones « massives/épaisses » dans le modèle, ou, tout au moins, prévoir des évidements dans celles de ces zones « épaisses » qui sont les plus susceptibles de générer des défauts de type soufflure dans les pièces de fonderie obtenues.
[0035] Pour donner un ordre de grandeur, les évidements 6 et 7 définissent un volume d'environ 0,5 à 1 ,5 cm3, de l'ordre du cm3 donc. On voit que, dans le cas de l'évidement 6, environ un tiers du volume est défini par le profil de la strate inférieure 3 et le reste par celui de la strate supérieure 4. Dans le cas de l'évidement 7, il apparaît que c'est la strate supérieure 4 qui définit réellement le volume de la cavité, alors que la strate 3 ne vient que la fermer sans modification très significative de son profil : on voit que toute forme d'évidement est possible, et toute répartition du volume entre les deux strates l'est donc également. [0036] Le nombre et la géométrie des évidements s'adaptent donc à la constitution de chaque modèle perdu. La création de ces évidements ne complexifie pas la fabrication du modèle perdu, et tend à l'alléger, en utilisant moins de polystyrène, ce qui est très avantageux. [0037] La figure 3 est une représentation des strates 3 et 4 complètes avant assemblage, les flèches f indiquant la façon dont l'assemblage est fait. On voit ainsi que chaque évidement clos 6 se compose d'une portion d'évidement 6a de la strate 3 et d'une portion d'évidement 6b complémentaire de la strate 4. On voit que l'évidement 7 est définit par une portion d'évidement présente que dans l'une des strates 4, l'autre strate 3 étant non modifiée et venant simplement fermer la cavité 7.

Claims

REVENDICATIONS
1. Modèle perdu (M) destiné à être utilisé en fonderie pour l'obtention de pièces métalliques et comportant un empilement de strates (1 ,2,3,4,5) assemblées les unes aux autres par collage, caractérisé en ce que ledit modèle perdu comprend au moins un évidement clos (6,7) qui est défini conjointement par deux portions d'évidement appartenant respectivement à deux strates successives (3,4), dites respectivement strate inférieure (3) et strate supérieure (4), dans l'empilement.
2. Modèle perdu (M) selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs évidements clos (6,7).
3. Modèle perdu (M) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le ou les évidements clos (6,7) sont localisés dans une ou des zones du modèle présentant une épaisseur d'au moins 10 mm mesurée selon l'axe d'empilement (X) des strates (1 ,2,3,4,5).
4. Modèle perdu (M) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le volume de l'évidement clos (6 ,7) ou d'au moins un d'entre eux est réparti de façon sensiblement égale entre les deux portions d'évidement qui le définissent.
5. Modèle perdu (M) selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le volume de l'évidement clos (6,7) ou d'au moins un d'entre eux est réparti différemment entre les deux portions d'évidement qui le définissent.
6. Modèle perdu (M) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la forme de la paroi de la portion d'évidement (61 ,71 ) appartenant à une strate suit au moins partiellement la forme de la paroi opposée (41 ,42) de ladite strate.
7. Modèle perdu (M) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le volume de l'évidement clos (6,7) ou de l'un d'entre eux au moins est de l'ordre de 1 cm3.
8. Modèle perdu (M) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il correspond à la forme d'une culasse ou d'une portion de culasse de moteur thermique, et en ce que les évidements clos (6,7) sont localisés dans les zones correspondant aux appuis des soupapes destinées à être associées à la culasse.
9. Modèle perdu (M) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les évidements clos (6,7) présentent des parois supérieures planes (61 ,71 ) parallèles aux parois supérieures (41 ,42) de la strate supérieure (4) correspondant aux appuis de soupapes, plans également.
10. Procédé de réalisation d'un modèle perdu (M) destiné à être utilisé en fonderie pour l'obtention de pièces métalliques et comportant un empilement de strates (1 ,2,3,4,5) assemblées les unes aux autres par collage, caractérisé en ce que le modèle perdu comprend au moins un évidement clos (6,7) qui est défini conjointement par deux portions d'évidement appartenant respectivement à deux strates successives (3,4), dites respectivement strate inférieure (3) et strate supérieure (4) dans l'empilement.
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