FR3099999A1 - Procédé de fabrication additive d’un moule pour fonderie et procédé de fabrication d’une pièce métallique mettant en œuvre ledit procédé - Google Patents

Procédé de fabrication additive d’un moule pour fonderie et procédé de fabrication d’une pièce métallique mettant en œuvre ledit procédé Download PDF

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Abstract

L’invention se rapporte à un procédé de fabrication additive d’un moule pour fonderie, comprenant les étapes consistant à :a) réaliser un empilement de strates dans un bac de fabrication, chaque strate de l’empilement étant obtenue par :i) dépôt d’une couche d’un sable, puisii) dépôt d’un liant liquide durcissable sur la surface supérieure d’une zone prédéterminée de la couche de sable pour imprégner de liant le sable présent dans cette zone ;b) appliquer un traitement à l’empilement de strates pour durcir le liant présent dans les strates et solidifier ainsi le sable imprégné de liant ; etc) éliminer le sable n’ayant pas été solidifié à l’étape b). Elle se rapporte également à un procédé de fabrication d’une pièce métallique mettant en œuvre ce procédé de fabrication additive.

Description

Procédé de fabrication additive d’un moule pour fonderie et procédé de fabrication d’une pièce métallique mettant en œuvre ledit procédé
L’invention se rapporte à un procédé de fabrication additive d’un moule de fonderie et, en particulier, d’un moule-carapace du type de ceux qui sont utilisés dans les procédés de moulage à modèle perdu tels qu’à la cire perdue, ainsi qu’à un procédé de fabrication d’une pièce métallique mettant en œuvre ce procédé de fabrication additive.
État de la technique antérieure
La fonderie est un procédé de formage des métaux qui consiste à couler un métal ou un alliage métallique en fusion dans un moule pour obtenir, après refroidissement du métal ou de l’alliage, une pièce de forme complémentaire à celle du moule.
La réalisation de pièces en fonderie nécessite la fabrication de moules en matériaux réfractaires compte-tenu des températures de fusion des métaux et alliages métalliques qui peuvent, pour certaines, dépasser 1 000 °C.
Parmi les procédés de fonderie, on distingue :
- les procédés à moule « permanent » tels que le moulage en coquille par gravité ou le moulage en coquille sous haute pression, dans lesquels le moule peut servir plusieurs fois à la fabrication de pièces ; ce type de moule est typiquement en acier, en fonte ou en graphite ; et
- les procédés à moule « éphémère » ou « non permanent » tels que le moulage au sable ou le moulage à la cire perdue, dans lesquels le moule est détruit au cours de la fabrication d’une pièce pour permettre son extraction du moule ; ce type de moule est typiquement en céramique ou en un sable solidifié.
Les moules éphémères sont réalisés à partir de modèles qui peuvent, eux-mêmes, être réutilisables comme dans le moulage au sable ou, au contraire, être à usage unique comme dans le moulage à la cire perdue : on parle alors de moulage à « modèle perdu ».
Parmi les moulages à modèle perdu, le moulage à la cire perdue occupe une place particulièrement importante dans la fabrication industrielle de pièces métalliques à haute valeur ajoutée. En effet, dans certains secteurs comme l’aéronautique, l’aérospatial, l’armement, l’énergie, l’ingénierie marine et l’appareillage médical, la complexité de la géométrie des pièces à fabriquer, la nature des alliages utilisés pour la fabrication de ces pièces et la sévérité des cahiers des charges, notamment en termes d’état de surface et de précision dimensionnelle, imposent cette technologie de moulage.
Schématiquement, le moulage à la cire perdue nécessite de réaliser tout d’abord un modèle en cire de la pièce que l’on désire fabriquer, par exemple par injection sous pression d’une cire liquide dans un moule métallique, puis de recouvrir le modèle d’une carapace, aussi appelée « moule-carapace », en un matériau réfractaire, typiquement une céramique, par trempages successifs du modèle dans des barbotines suivis d’un saupoudrage de sable appelé « stucco ». Après solidification et séchage, la carapace est soumise à une opération dite « décirage », qui consiste à évacuer de la carapace le modèle en cire par fusion de cette cire. Puis, la carapace est soumise à un frittage, ce qui permet d’éliminer les traces de cire présentes à l’intérieur de la carapace, de consolider cette dernière et de l’amener à la température de coulée du métal ou de l’alliage. Le métal ou l’alliage en fusion est alors coulé dans la carapace. Après refroidissement, la carapace est détruite, typiquement par vibrations ou par jet d’eau.
Un premier pas vers une simplification des procédés de moulage à modèle perdu et, notamment, à la cire perdue a été franchi avec l’utilisation de techniques de fabrication additive, aussi appelée « impression 3D » et « impression tridimensionnelle », pour réaliser les modèles.
Puis, il a été proposé d’utiliser les techniques de fabrication additive pour fabriquer non plus les modèles mais les moules-carapaces sans avoir à procéder préalablement à la réalisation de modèles.
Ainsi, la demande de brevet EP 0 431 924, ci-après référence[1], décrit un procédé de fabrication additive d’un objet tridimensionnel pouvant notamment être un moule carapace. Ce procédé comprend le dépôt d’une succession de couches formées d’un matériau particulaire tel qu’une céramique, un métal ou une matière plastique, avec, après chaque dépôt d’une couche de matériau particulaire, le dépôt, sur des zones présélectionnées de cette couche, d’un liant liquide durcissable qui, par durcissement, va permettre aux particules de matériau imprégnées de liant de se souder entre elles et de former ainsi les parties pleines du moule. À l’issue de la dernière opération de dépôt, les particules de matériau restées libres sont éliminées et le moule est récupéré.
Dans cette référence, il est prévu que le durcissement du liant ayant été déposé sur les zones présélectionnées d’une couche de matériau particulaire intervienne avant qu’une nouvelle couche de matériau particulaire soit déposée, ce qui, en pratique, implique de faire suivre chaque dépôt de liant d’un traitement, tel qu’un traitement thermique ou une réaction chimique, permettant de durcir ce liant, et alourdit sensiblement la mise en œuvre du procédé.
De plus, lorsque le matériau particulaire est une céramique, il est prévu de déposer cette céramique sous la forme d’une dispersion comprenant, outre les particules de céramique, un dispersant et un solvant, par exemple un mélange de toluène et de méthyléthylcétone si la céramique est de l’alumine, ou de l’hexane si la céramique est du carbure de silicium, et d’éliminer ce solvant, par exemple par un traitement thermique, avant que le liant ne soit déposé à son tour, ce qui vient encore alourdir la mise en œuvre du procédé.
Dans la demande de brevet DE 198 53 834, ci-après référence[2], une autre approche est proposée qui se distingue de la précédente par le fait que le liant liquide durcissable est déposé sur toute la surface des couches de matériau particulaire, en l’espèce un sable, et c’est un agent de durcissement du liant qui est déposé sur les zones présélectionnées des couches de matériau particulaire imprégné de liant. Le liant liquide durcissable est une résine furanique tandis que l’agent de durcissement est un acide organique.
Cette approche présente également des inconvénients qui sont principalement liés au fait que la totalité du sable utilisé dans le procédé est imprégnée de résine furanique. En effet, lors de la récupération du moule, le sable qui n’a pas durci est collant et donc difficile à séparer du moule, ce qui peut être particulièrement problématique si le moule est de forme complexe avec, par exemple, de nombreuses cavités. De plus, ce sable ne peut pas être réutilisé pour fabriquer un nouveau moule sans être préalablement soumis à un traitement permettant de le débarrasser de la résine dont il est imprégné, ce qui alourdit sensiblement les coûts de mise en œuvre du procédé.
Il existe donc un besoin de disposer d’un procédé de fabrication additive d’un moule pour fonderie et, notamment, d’un moule-carapace du type de ceux qui sont utilisés dans les procédés de moulage à modèle perdu, qui soit exempt des inconvénients des procédés décrits dans les références précitées.
L’invention vise justement à répondre à ce besoin en proposant un procédé de fabrication additive d’un moule pour fonderie, comprenant au moins une partie pleine et au moins une partie creuse, lequel procédé comprend les étapes consistant à :
a) réaliser un empilement de strates dans un bac de fabrication, chaque strate de l’empilement étant obtenue par :
i) dépôt d’une couche d’un sable, puis
ii) dépôt d’un liant liquide durcissable sur la surface supérieure d’une zone prédéterminée de la couche de sable pour imprégner de liant le sable présent dans cette zone ;
b) appliquer un traitement à l’empilement de strates pour durcir le liant présent dans les strates et solidifier ainsi le sable imprégné de liant ; et
c) éliminer le sable n’ayant pas été solidifié à l’étape b) ;
moyennant quoi le moule est obtenu, la partie pleine du moule étant constituée par le sable ayant été solidifié à l’étape b) et la partie creuse du moule résultant de l’élimination du sable n’ayant pas été solidifié.
Conformément à l’invention, le sable, qui est déposé à l’étape a), est un sable dont la taille moyenne des grains est, de préférence, égale ou supérieure à 0,075 mm sans, toutefois, dépasser 1 mm.
Ce sable peut être choisi parmi tous les sables dits « sables de fonderie ».
Ainsi, ce sable peut être un sable naturel, c’est-à-dire extrait d’un gisement, tel qu’un sable de silice et, en particulier, un sable de quartz, un sable de chromite (qui est un mélange d’oxydes de fer et de chrome), un sable de zircon (qui est un silicate de zirconium), un sable d’olivine (qui est un silicate de magnésium et de fer), un sable d’andalousite (qui est un silicate d’aluminium) ou un mélange de ceux-ci.
En variante, il peut également s’agir d’un sable synthétique du type de ceux commercialisés par les sociétés Itochu Ceratech Corporation, GTP Schäfer GmbH et Refractory Engineers Inc.
Dans le cadre de l’invention, on préfère que le sable soit un sable de silice et, dans ce cas, qu’il ait une teneur massique en silice supérieure ou égale à 98 %. En effet, les sables de silice étant disponibles en abondance et d’une qualité constante chez un même fournisseur, ils sont particulièrement intéressants d’un point de vue économique.
L’épaisseur des strates, qui est préférentiellement la même pour toutes les strates, est choisie en fonction du niveau de détails que doit présenter le moule à fabriquer. Généralement, cette épaisseur sera comprise entre 0,1 mm et 2 mm et, mieux encore, entre 0,4 mm et 0,5 mm, une telle épaisseur permettant, en effet, un excellent compromis entre le niveau de détails pouvant être obtenu (qui augmente avec une diminution de l’épaisseur des strates) et la vitesse de fabrication du moule (qui, elle, au contraire, diminue avec une diminution de l’épaisseur des strates).
Conformément à l’invention, le liant, que l’on peut aussi appeler « agglomérant » – les deux termes étant considérés ici comme synonymes – est, de préférence, un liant à base d’un ou plusieurs composés inorganiques, auquel cas ce liant est avantageusement :
- soit un liant à base de silicate de sodium – aussi appelé « silicate de soude » – de formule Na2SiO3,
- soit un liant à base d’une poudre céramique, c’est-à-dire d’une poudre qui est constituée d’un ou plusieurs composés inorganiques capables, sous l’effet d’un traitement thermique, de former une céramique, ce ou ces composés inorganiques étant typiquement des silicates, des oxydes, des carbures, des borures et/ou des nitrures.
Lorsque le liant est à base de silicate de sodium, alors ce liant se présente typiquement sous la forme d’une solution aqueuse pouvant contenir, outre le silicate de sodium, un ou plusieurs adjuvants tels que de la silice colloïdale.
Une telle solution peut être préparéein situ, préalablement à la réalisation de l’étape a).
Toutefois, des liants à base de silicate de sodium prêts à l’emploi et pouvant convenir à la mise en œuvre du procédé de l’invention, sont commercialement disponibles, par exemple auprès de la société Vesuvius.
Quoi qu’il en soit, la solution de silicate de sodium comprend typiquement de 30 % à 50 % massiques et, de préférence, de 35 % à 45 % massiques de silicate de sodium.
Lorsque le liant est à base d’une poudre céramique, alors ce liant se présente typiquement sous la forme d’une dispersion aqueuse – communément appelée « barbotine » dans le domaine de la fabrication des céramiques – comprenant, outre la poudre céramique, un agent de liaison tel que de la silice colloïdale ou du silicate d’éthyle, et, éventuellement, un ou plusieurs adjuvants du type agent mouillant, agent fluidifiant et/ou agent texturant.
La poudre céramique peut notamment être constituée de mullite (qui est un silicate d’aluminium) ou d’un mélange de mullite et d’alumine, auquel cas elle est avantageusement présente dans le liant à hauteur de 65 % à 80 % massiques.
À l’étape a), la quantité de liant qui est appliquée sur la surface supérieure de la zone prédéterminée de la couche de sable est choisie, non seulement en fonction des dimensions de cette zone mais également en fonction de la distribution granulométrique du sable et, dans le cas d’un liant à base d’une poudre céramique, de la distribution granulométrique de la poudre céramique.
Si le liant est une solution de silicate de sodium, alors la quantité de liant qui est appliquée sur la surface supérieure de la zone prédéterminée de la couche de sable est typiquement telle que le sable imprégné de liant comprenne de 10 % à 20 % massiques de liant, ce qui correspond à une quantité de silicate de sodium de 3 % à 10 % massiques si le silicate de sodium est présent dans le liant à hauteur de 30 % à 50 % massiques.
Si le liant est à base d’une poudre céramique, alors la quantité de liant qui est appliquée sur la surface supérieure de la zone prédéterminée de la couche de sable est typiquement telle que le sable imprégné de liant comprenne de 5 % à 30 % massiques de liant, ce qui correspond à une quantité de poudre céramique de 3,25 % à 24 % massiques si la poudre céramique est présente dans le liant à hauteur de 65 % à 80 % massiques.
En variante de ce qui précède, il est également possible d’utiliser comme liant, une résine synthétique thermodurcissable ou, mieux encore, une résine synthétique durcissable au CO2gazeux telle que celle commercialisée par la société Vesuvius sous la référence commerciale EcolotecTM.
Conformément à l’invention, le traitement, qui est appliqué à l’étape b) à l’empilement de strates pour solidifier le sable imprégné de liant présent dans les strates de cet empilement, est choisi en fonction du mode de durcissement du liant.
Ainsi, pour un liant à base de silicate de sodium ou pour un liant constitué d’une résine durcissable au CO2gazeux, un traitement consistant en une insufflation de CO2gazeux à travers l’empilement de strates sera privilégié, alors que, pour un liant à base d’une poudre céramique ou pour un liant constitué d’une résine thermodurcissable, l’empilement de strates sera soumis à un traitement thermique.
Dans le cas d’un liant à base d’une poudre céramique, la température utilisée pour le traitement thermique sera généralement supérieure à 1 000 °C.
Conformément à l’invention, l’étape c) est, de préférence, réalisée en éliminant le sable n’ayant pas été solidifié du bac de fabrication, par exemple par écoulement de ce sable hors de ce bac ou par aspiration de ce sable.
En variante, l’étape c) peut également être réalisée en extrayant le moule du bac de fabrication sans vider ce bac du sable n’ayant pas été solidifié.
Si nécessaire, le procédé peut comprendre de plus une étape de nettoyage du moule, notamment s’il est de forme complexe, pour éliminer les grains de sable susceptibles d’adhérer à la surface du moule ou d’être retenus dans les éventuelles anfractuosités de ce moule, ce nettoyage étant, par exemple, réalisé au moyen d’une brosse ou d’un aspirateur.
Le procédé tel que décrit ci-avant est particulièrement avantageux.
En effet, tout en présentant les avantages des procédés proposés dans l’état de la technique pour la fabrication additive de moules de fonderie, comme celui de permettre la fabrication de moules-carapaces, y compris de forme complexe, tout en s’affranchissant de la réalisation d’un modèle perdu et, partant, des contraintes imposées par la réalisation d’un tel modèle (dépouilles pour le démoulage de la cire, inserts pour les zones en contre-dépouille sur le modèle, etc.), le procédé de l’invention est beaucoup plus simple à mettre en œuvre et moins coûteux que ces procédés, notamment parce qu’il combine l’utilisation d’un sable pour constituer l’empilement de strates avec un dépôt sélectif du liant liquide durcissable et une solidification en une seule opération du sable imprégné de liant présent dans les différentes strates de l’empilement de strates.
L’invention a également pour objet un procédé de fabrication d’une pièce métallique, qui comprend les étapes consistant à :
- fabriquer un moule de forme complémentaire à celle de la pièce métallique par la mise en œuvre d’un procédé de fabrication additive tel que précédemment défini ;
- couler un métal ou un alliage métallique en fusion dans le moule pour obtenir, après refroidissement du métal ou de l’alliage, la pièce métallique ; et
- extraire la pièce métallique du moule.
Conformément à l’invention, la pièce métallique est, de préférence, une pièce d’un aéronef et, plus spécifiquement, une pièce d’une turbomachine telle qu’un carter ou un support de palier.
D’autres avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront à la lecture du complément de description, non limitatif, qui suit.
Brève description des figures
Le complément de description qui suit fait référence aux figures annexées dans lesquelles :
est une vue schématique en perspective d’un exemple de moule fabriqué par le procédé de l’invention ;
est une vue schématique en perspective d’un exemple de mise en œuvre de l’étape a) du procédé de fabrication additive de l’invention pour la fabrication du moule montré sur la Figure 1 ;
est une autre vue schématique en perspective de l’exemple de mise en œuvre de l’étape a) du procédé de fabrication additive de l’invention pour la fabrication du moule montré sur la Figure 1 ;
est une vue schématique en perspective d’un exemple de mise en œuvre de l’étape b) du procédé de fabrication additive de l’invention pour la fabrication du moule montré sur la Figure 1.
Description d’un mode de réalisation
On se réfère aux figures 2A à 2C qui illustrent schématiquement un exemple de mise en œuvre des étapes a) et b) du procédé de l’invention pour la fabrication du moule 10 représenté sur la figure 1.
La forme et les proportions de ce moule ont été choisies de manière arbitraire à des fins purement illustratives. En l’espèce, il s’agit d’un moule dont la paroi 11 forme sensiblement un cylindre.
Comme montré sur les figures 2A et 2B, l’étape a) consiste à réaliser un empilement 20 de strates référencées chacune 21, dans lequel chaque strate est constituée d’une couche d’un sable dont une zone prédéterminée 22 est imprégnée d’un liant liquide durcissable.
Pour ce faire, du sable est étalé, par exemple au moyen d’un balai racleur, sur le fond 31 d’un bac de fabrication 30, dont les dimensions internes sont supérieures aux dimensions externes du moule 10 devant être fabriqué, pour former une première couche de sable, d’épaisseur constante. Puis, un premier volume de liant liquide durcissable est déposé au moyen d’une tête d’impression 40, par exemple à jet d’encre, sur la surface supérieure de la zone prédéterminée 22 de cette couche de sable, de sorte à imprégner de liant le sable présent dans cette zone.
Du sable est ensuite étalé sur la première couche de sable pour former une deuxième couche de sable, de même épaisseur que la précédente, et un deuxième volume de liant liquide durcissable est déposé, toujours au moyen de la tête d’impression, sur la surface supérieure de la zone présélectionnée de la deuxième couche de sable pour, là également, imprégner de liant le sable présent dans cette zone.
Ces opérations sont répétées jusqu’à obtenir l’empilement 20 montré sur la figure 2B, dont l’épaisseur correspond à la longueur que doit présenter la paroi 11 du moule 10 devant être fabriqué et dans lequel chaque strate 21 est destinée à former, après solidification du sable imprégné de liant qu’elle contient, une portion longitudinale de ladite paroi 11.
Le sable est, par exemple, un sable de silice dont la taille moyenne des grains est, de préférence, comprise entre 0,075 mm et 1 mm, tandis que le liant liquide durcissable est, par exemple, une solution aqueuse comprenant du silicate de sodium ou une barbotine d’une poudre céramique, par exemple une barbotine comprenant de la mullite.
Comme montré sur la figure 2C, une fois l’empilement 20 obtenu, il est procédé à l’étape b), laquelle consiste à appliquer un traitement à cet empilement pour solidifier, en une seule opération, le sable imprégné de liant présent dans les zones prédéterminées 22 des strates 21 formant ledit empilement.
Ce traitement est fonction du mode de durcissement du liant liquide durcissable.
Ainsi, si le liant liquide durcissable est une solution aqueuse comprenant du silicate de sodium, alors la solidification du sable peut être obtenue en insufflant du CO2gazeux à travers l’empilement 20, par exemple grâce à la présence de micro-perforations dans le fond 31 du bac de fabrication.
Si le liant liquide durcissable est une barbotine d’une poudre céramique, alors la solidification du sable peut être obtenue en appliquant à l’empilement 20 un traitement thermique permettant de transformer cette barbotine en céramique.
Le procédé de l’invention comprend une troisième étape – ou étape c) –, non représentée, qui consiste à éliminer le sable 23 n’ayant pas été solidifié à l’étape b) et que l’on réalise, par exemple, par écoulement de ce sable hors du bac de fabrication.
Le moule 10 peut alors être récupéré et soumis, si nécessaire, à un nettoyage, par exemple, au moyen d’une brosse ou d’un aspirateur.
Références citées
[1]Demande de brevet EP 0 431 924
[2 ]Demande de brevet DE 198 53 834

Claims (10)

  1. Procédé de fabrication additive d’un moule (10) pour fonderie comprenant au moins une partie pleine et au moins une partie creuse, qui comprend les étapes consistant à :
    a) réaliser un empilement (20) de strates (21) dans un bac de fabrication (30), chaque strate de l’empilement étant obtenue par :
    i) dépôt d’une couche d’un sable, puis
    ii) dépôt d’un liant liquide durcissable sur la surface supérieure d’une zone prédéterminée (22) de la couche de sable pour imprégner de liant le sable présent dans cette zone ;
    b) appliquer un traitement à l’empilement de strates pour durcir le liant présent dans les strates et solidifier ainsi le sable imprégné de liant ; et
    c) éliminer le sable n’ayant pas été solidifié à l’étape b) ;
    moyennant quoi le moule (10) est obtenu, la partie pleine du moule étant constituée par le sable ayant été solidifié à l’étape b) et la partie creuse du moule résultant de l’élimination du sable n’ayant pas été solidifié.
  2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le sable est un sable dont la taille moyenne des grains est supérieure ou égale à 0,075 mm et au plus égale à 1 mm.
  3. Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel le sable est un sable de silice, un sable de chromite, un sable de zircon, un sable d’olivine, un sable d’andalousite ou un mélange de ceux-ci, de préférence un sable de silice.
  4. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel les strates ont une épaisseur comprise entre 0,1 mm et 2 mm, de préférence entre 0,4 mm et 0,5 mm.
  5. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le liant est une solution aqueuse comprenant du silicate de sodium et l’étape b) comprend une insufflation de dioxyde de carbone gazeux dans l’empilement de strates.
  6. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le liant est une dispersion aqueuse comprenant une poudre céramique et l’étape b) comprend un traitement thermique de l’empilement de strates.
  7. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel l’étape c) comprend une élimination du sable n’ayant pas été solidifié à l’étape b) du bac de fabrication, de préférence par écoulement du sable hors du bac de fabrication.
  8. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel le moule est un moule-carapace.
  9. Procédé de fabrication d’une pièce métallique, qui comprend les étapes consistant à :
    - fabriquer un moule de forme complémentaire à celle de la pièce métallique par la mise en œuvre d’un procédé tel que défini dans l’une quelconque des revendications 1 à 8 ;
    - couler un métal ou un alliage métallique en fusion dans le moule pour obtenir, après refroidissement du métal ou de l’alliage, la pièce métallique ; et
    - extraire la pièce métallique du moule.
  10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel la pièce métallique est une pièce d’un aéronef.
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