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• 3 F onderie magazine Décembre 2012 • N°30 Focus FOCUS Roberto BONI, Groupe IDRA www.idragroup.com www.aluminiummartignyfrance.com La machine à couler sous pression modèle OL 4200 S NoX est conçue pour la production de pièces d’al- liages d’aluminium de structure. Découvrez les caractéristiques de l’injection et les fonctions de contrôle du processus. L’industrie automobile est engagée dans un processus de réflexion visant à réduire le poids des voitures afin de répondre aux régle- mentations relatives à la pollution, de plus en plus exigeantes dans tous les pays. Il est nécessaire d’utiliser de nouveaux maté- riaux, l’un des plus approprié est l’aluminium et ses alliages. Le moulage en alliages d’aluminium est déjà utilisé pour le groupe motopropulseur pour les blocs moteurs, les cloches d’embrayage, les carters de boites de vitesse, et de manière plus générale, les parties auxiliaires du mo- Pièces moulées par un procédé sous pression performant Machine à couler sous pression modèle IDRA OL 42OO S NoX teur. Il est désormais également utilisé dans le domaine des suspensions et des composants de structure d’une voiture. Des caractéristiques mécaniques élevées, telles que la résistance à la traction, la limite élastique et l’allongement sont requises. La coulée sous pression traditionnelle, très inté- ressante en matière de coûts, ne peut satis- faire aux exigences d’intégrité du domaine métallurgique à cause de la microporosité générale du processus et de la contamination du métal. Le haut niveau de vide, la sélection de l’alliage, la manipulation du métal liquide et une bonne gestion globale sont les clés de la réussite. La série de machines NOX, a été développée par le groupe IDRA pour répondre à ces exigences et offrir aux fondeurs un puissant outil de pro- duction. Dans cet article seront présentés, la concep- tion de la machine, comprenant un four de maintien et son système de transfert du métal, tout comme la préparation du vide avec sa vanne et son circuit. Le cycle opérationnel spécifique est commandé par un logiciel dédié et tous les paramètres critiques sont contrôlés par un système de contrôle du process avancé. Le niveau de vide, le profil d’injection, la tempé- rature du métal et du moule et les paramètres de poteyage du moule sont quelques-unes des données du processus, qui sont automatique- ment mesurées et disponibles pour le service technique, afin qu’il puisse réaliser un contrôle exhaustif du processus. Le système d’injection de la machine permet de concevoir un profil de vitesse pour lequel le point de démarrage, l’accélération et les va- leurs de réglage peuvent être programmés. Un contrôle de l’injection à boucle fermée avec une vanne TDP à dynamique élevée, offrant une excellente fiabilité dans les conditions dif- ficiles de la fonderie, garantit une stabilité et un niveau élevé de répétabilité. Avec une vitesse maximale d’injection supé- rieure à 9,5 m/s, la stabilité de l’injection mesurée avec une méthode statistique offre des valeurs de capabilité de la machine (CM) "

Pièces moulées par un procédé sous pression performant · Le moulage en alliages d’aluminium est déjà utilisé pour le groupe motopropulseur pour les blocs moteurs, les cloches

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Décembre 2012 • N°30

FocusFOCUS

Roberto BONI, Groupe IDRAwww.idragroup.com

www.aluminiummartignyfrance.com

La machine à couler sous pression modèle OL 4200 S NoX est conçue pour la production de pièces d’al-liages d’aluminium de structure. Découvrez les caractéristiques de l’injection et les fonctions de contrôle du processus.

L’industrie automobile est engagée dans un processus de réfl exion visant à réduire le poids des voitures afi n de répondre aux régle-mentations relatives à la pollution, de plus en plus exigeantes dans tous les pays.Il est nécessaire d’utiliser de nouveaux maté-riaux, l’un des plus approprié est l’aluminium et ses alliages.

Le moulage en alliages d’aluminium est déjà utilisé pour le groupe motopropulseur pour les blocs moteurs, les cloches d’embrayage, les carters de boites de vitesse, et de manière plus générale, les parties auxiliaires du mo-

Pièces moulées par un procédésous pression performantMachine à couler sous pression modèle IDRA OL 42OO S NoX

IDRA, The History in Die Casting.

www.idragroup.com

Since 1946 Idra has been the market leader in production of high technology die casting machines up to 4500 tons including fully automated production cells.Italian design and technology, leaving its mark in history, made through innovation and excellence around the world.

teur. Il est désormais également utilisé dans le domaine des suspensions et des composants de structure d’une voiture.

Des caractéristiques mécaniques élevées, telles que la résistance à la traction, la limi te élastique et l’allongement sont requises. La coulée sous pression traditionnelle, très inté-ressante en matière de coûts, ne peut satis-faire aux exigences d’intégrité du domaine métallurgique à cause de la microporosité générale du processus et de la contamination du métal.

Le haut niveau de vide, la sélection de l’alliage, la manipulation du métal liquide et une bonne gestion globale sont les clés de la réussite. La série de machines NOX, a été développée par le groupe IDRA pour répondre à ces exigences et offrir aux fondeurs un puissant outil de pro-duction.

Dans cet article seront présentés, la concep-tion de la machine, comprenant un four de maintien et son système de transfert du métal, tout comme la préparation du vide avec sa

vanne et son circuit. Le cycle opérationnel spécifi que est commandé par un logiciel dédié et tous les paramètres critiques sont contrôlés par un système de contrôle du process avancé. Le niveau de vide, le profi l d’injection, la tempé-rature du métal et du moule et les paramètres de poteyage du moule sont quelques-unes des données du processus, qui sont automatique-ment mesurées et disponibles pour le service technique, afi n qu’il puisse réaliser un contrôle exhaustif du processus.

Le système d’injection de la machine permet de concevoir un profi l de vitesse pour lequel le point de démarrage, l’accélération et les va-leurs de réglage peuvent être programmés. Un contrôle de l’injection à boucle fermée avec une vanne TDP à dynamique élevée, offrant une excellente fi abilité dans les conditions dif-fi ciles de la fonderie, garantit une stabilité et un niveau élevé de répétabilité.

Avec une vitesse maximale d’injection supé-rieure à 9,5 m/s, la stabilité de l’injection mesurée avec une méthode statistique offre des valeurs de capabilité de la machine (CM)

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remarquables malgré les grandes dimensions du moule et le niveau élevé de la pression d’injection.

Le système de supervision de la machine gère entièrement les équipements périphériques : un robot extracteur, un poteyeur du moule, un système de dosage du métal, des thermorégu-lateurs de moule, une presse de découpe et un dispositif de marquage des pièces.

En cas d’arrêt du cycle, un message clair ap-porte à l’opérateur l’information nécessaire à la réinitialisation du système ou fournit aux techniciens de maintenance l’information ap-propriée, afin de résoudre le problème le plus rapidement possible.

La technologie innovante du vide et un sys-tème de contrôle du processus avancé, com-binés avec un système d’injection en temps réel à boucle fermée et à dynamique élevée, sont disponibles pour satisfaire aux exigences relatives aux composants de structure en alu-minium pour la coulée sous pression.

Les défauts métallurgiques

De nombreux défauts métallurgiques affectent le processus de la coulée sous pression, qui demeure pourtant la technologie pour la pro-duction de gros volume la plus intéressante, en termes de coûts.

Sans entrer dans le détail des mécanismes qui génèrent les défauts, nous pouvons affirmer qu’il existe deux raisons principales à cela :• La microporosité due à la contraction du

métal• La microporosité due au gaz

La contraction du métal est liée au change-ment de volume au cours de la solidification.Il s’agit d’une caractéristique physique qui s’applique à la quasi totalité des matériaux.

Les alliages d’aluminium voient en général leur volume diminuer de 5 à 6 % pendant le passage de l’état liquide à l’état solide. Les premières zones solidifiées sont celles situées dans la zone externe, la section interne n’est alors plus alimentée en métal liquide et une microporosité interdendritique se produit.

Les défauts sont plus importants dans les sec-tions épaisses et peuvent être minimisés avec une section plus large de l’attaque de coulée et l’emploi de matériaux semi-solides.

Dans le domaine des composants de structure, l’épaisseur des parois est limitée car la pièce a de larges surfaces et un poids minimal.Par conséquent, la microporosité due à la contraction du métal demeure une importante source de défauts, même si elle n’est pas la plus importante.La microporosité due au gaz. Ce gaz peut être présent à l’intérieur du métal coulé ou s’ajou-ter au cours du processus de moulage.Contrairement à d’autres métaux, l’aluminium absorbe presque exclusivement de l’hydro-gène et c’est ce gaz qui est tenu responsable de l’apparition de défauts sous forme de pores, suffisamment grands pour être observables à l’œil nu. Ce gaz provient principalement de la décomposition de la vapeur d’eau, de l’humi-dité ou de l’hydroxyde d’aluminium Al (OH) 3, ce dernier étant un produit de la corrosion de l’aluminium, qui peut continuer à polluer la coulée en fonction de la récupération du métal ou des déchets.La formation de tels défauts est liée au métal solidifié sursaturé par les gaz absor-bés au préalable, lors de la phase liquide.

La solubilité de l’hydrogène dans l’aluminium, représentée dans la figure 1, augmente avec la température, lors des phases solides et liquides au moment de la coulée.Par conséquent, la préparation du métal avant le moulage devient un élément majeur.Un dégazage soigneux, par injection d’Argon et agitation du métal s’avère être la techno-logie appropriée et obligatoire si un faible niveau d’hydrogène est requis.

Il est important de veiller à l’Indice de densité du métal qui doit être situé entre le niveau 1 et 2, pour :• obtenir la faible porosité nécessaire à l’ob-tention des propriétés mécaniques relatives à la composition de l’alliage, • le traitement thermique, • rendre la soudure possible.Une préparation appropriée du métal est le point de départ pour obtenir les résultats at-tendus. Toutes les actions ultérieures au pro-cessus de moulage ne peuvent avoir pour effet que de gazer ou oxyder l’alliage.

Fig 1 – Solubilité de H2 en fonction de la température.Fig. 2 – Section d’alliage 7032, solidifiée sous vide partiel (80 mbar). (a) sans agitation ; (b) avec agitation.

Fig. 3 – Propriétés mécaniques en fonction de la densité.

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dédié pour la réalisation du cycle du processus. Son système d’injection a été conçu à l’aide d’une technologie hydraulique avancée, afi n d’atteindre les caractéristiques exigeantes du processus.

La combinaison d’une vitesse d’injection éle-vée, supérieure à 10 m/s et d’une répétabilité remarquable, est obtenue grâce à « l’ICS Twin System ».

En utilisant les principes du débit de décharge (« metering out »), deux vannes à dynamique élevée, sont activées afi n d’obtenir un contrôle rigoureux à une vitesse de réglage réduite comprise entre 0,01 et 0,4 m/s, ainsi qu’une réponse dynamique à une vitesse de réglage élevée, de l’ordre de 8 à 10 m/s.

Deux vannes TDP à boucle fermée et le logiciel, contrôlent en temps réel le débit de décharge. Avec une vitesse réduite, seule la plus petite est en service. Le réglage est très sensible grâce au débit d’huile réduit. Avec un réglage supérieur de la vitesse, les deux vannes sont

La porositéLe problème suivant est lié à la porosité géné-rée pendant la phase de remplissage due :• à la présence d’air à l’intérieur de la cavité du moule,• aux gaz produits par le poteyage que revêt la surface du moule en contact avec le métal liquide.

Une des solutions les plus utilisées est le système du vide, visant à évacuer l’air et les gaz pendant le remplissage du moule. Cette technique est utilisée depuis toujours, mais le niveau de vide obtenu pour la coulée sous pression conventionnelle qui peut réduire la microporosité à un niveau acceptable pour une application normale, n’est pas satisfaisant par rapport à nos objectifs.

Fig. 5 – Niveau de vide requis.

Le niveau de vide de 250 mbar, généralement considéré comme satisfaisant pour le moulage conventionnel n’est pas suffi sant pour les com-posants de structure. Il faut viser un niveau de 150 mbar à l’intérieur de la cavité pour les pièces à souder ou pour celles qui requièrent un traitement thermique T5.

Pour le traitement thermique T6, un niveau de vide de 50 à 90 mbar est nécessaire.Ces niveaux très stricts ont besoin d’une ap-proche appropriée :• du système d’injection, • de son conteneur et piston d’injection, • du moule.

Une étanchéité soigneuse doit être réalisée à tous les niveaux pouvant représenter une entrée d’air :• le périmètre de la surface frontale du moule doit comporter un joint en silicone,• les tire-noyaux, • le boiter d’éjection. Le conteneur d’injection, la cavité du moule et le boitier d’éjection doivent être connectés à la cuve et aux pompes à vide correctement dimensionnées afi n d’atteindre le niveau de vide requis dans les délais attendus.

La machine à mouler modèle OL 4200 SL’OL 4200 S, conçue par IDRA et représentée en France par Aluminium Martigny, possède une cuve de 3 m3 avec trois pompes à vide à rendement élevé.Des vannes et des tuyaux du circuit de vide sont montés sur la machine, avec un logiciel

Fig. 6 – Cuve et pompe à vide.

Fig. 7 – Système TDP à vanne doublée.

Fig. 8 – Courbes d’injection OL 4200 S NoX.

Fig. 4 – Densité avec et sans découpe.

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pilotées ensemble (« twin system ») et il est possible d’atteindre une très grande vitesse.Le « Twin System » résout un problème d’ordre technique qui se pose sur les grandes machines, lorsqu’une vanne de grande taille est nécessaire pour atteindre une vitesse éle-vée, diminuant de ce fait la précision, lorsque la vitesse est réduite.Dans le processus « NoX », développé par IDRA, un contrôle rigoureux de la basse vi-tesse est effectué lors de la première phase du mouvement, lorsque le piston d’injection se déplace lentement jusqu’à ce que l’orifice d’aspiration du métal, soit fermé. Il est impor-tant de bien contrôler la première étape de cette phase car celle-ci est liée au temps de création du vide.Une dynamique plus élevée et un contrôle plus précis de la vitesse lors de la phase de remplis-sage sont également requis.Les pièces de structure de grandes tailles né-cessitent des temps de remplissage réduits dus à la mince épaisseur de la paroi ; c’est pourquoi, le temps de transition entre les différentes étapes associées aux vitesses doit être le plus court possible. Avec « l'ICS Twin System » il est possible d’obtenir un temps de transition allant de 0,4 m/s à 8 m/s dans un délai réduit, corres-pondant à 20 millisecondes. Un délai supérieur lors d’une injection, avec un temps de remplis-sage aussi court que 70 millisecondes, affecte-rait sérieusement l’intégralité du processus.

La cohérence des paramètres d’injection est également importante, et les valeurs de CM et CMK satisfont entièrement les procédures relatives aux « règles de l’art ».

Le temps de première phase est de l’ordre d’1 s pour une machine de grande taille, il s’agit du temps disponible pour obtenir le niveau de vide requis. Ensuite, le temps de remplissage est de l’ordre de 50 à 80 millisecondes en fonction de la forme de la pièce et de l’épais-seur de ses parois.L’importance de la répétabilité et de la préci-sion du temps de première phase est évidente car celle-ci est étroitement liée au niveau de vide obtenu.Il est évident aussi que le temps relativement court du sous-vide ne suffit pas à éliminer le contenu de H2 dans l’alliage, qui doit être bien dégazé avant le remplissage du four de maintien.

ConclusionsUn dégazage et un affinage approprié du métal liquide, un niveau de vide adapté du conteneur d’injection évitant tout contact avec l’atmos-phère, associés aux performances d’injection élevées, permettent d’obtenir les propriétés métallurgiques exceptionnelles requises par les constructeurs automobiles, pour la fabrication des composants de structure qu’ils utilisent.

Le processus de moulage doit respecter les règles d’usage, sans exceptions, en matière de contrôle des paramètres du processus tels que les vitesses, les pressions, les temps, les températures, ainsi que toutes les procédures de fonctionnement définies. La dynamique et la cohérence du système d’injection de la ma-chine à mouler sont des éléments importants, car celui-ci peut établir, au fil des injections, la valeur d’alimentation définie pendant la simu-lation du remplissage du moule.

Il n’est pas nécessaire de dépenser du temps et de l’argent pour réaliser une simulation, si l’équi-pement utilisé dans la fonderie « réelle » n’est pas en mesure d’atteindre les objectifs visés. n

Références[1] Refining grain structure and porosity of

an aluminium alloy with intensive melt shearing – Y. Zuo*, H. Li, M. Xia, B. Jiang, G.M. Scamans, Z. Fan LiME (EPSRC Centre for Innovative Manufacturing in Liquid Metal Engineering), BCAST, Brunel University, Uxbridge, Middlesex, UB8 3PH, UK.

[2] Relazione ed osservazioni sperimentali sullo sviluppo della porosità nell’allumi-nio.Prof. Diego Colombo.

[3] Solidification Processing, McGraw-Hill Book Company. M.C. Flemings.