Comment fonctionne la coulée rapide?

Cette image montre un globe, qui a été produit par Rapid Casting.

Coulée rapide Partie 1 Comment fonctionne la coulée rapide?

| Auteur / éditeur: Dr Ulf Schliephake *, Thomas Friedl *, Dr Daniel Günther *, Volker Junior * / Nicole Kareta

Cette série d’articles présente diverses possibilités tout au long du cycle de vie du produit que les solutions additives innovantes offrent à une industrie soucieuse de la tradition. Dans la première partie, nous décrivons les différences avec la méthode conventionnelle et introduisons la chaîne de processus.

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Cette image montre un globe, qui a été produit par Rapid Casting.
Cette image montre un globe, qui a été produit par Rapid Casting.

(Source: Fraunhofer IGCV)

Le «coulage rapide» est l’utilisation indirecte de la fabrication additive dans une fonderie (de fer). Il en résulte une réduction drastique des délais de livraison des prototypes moulés de deux mois habituels à dix jours ouvrables dans les cas favorables. Les résultats sont prochessprototypes de la sfonderie eries dans le smatériel dans le sprocessus de production (« 4s »).

Flux de processus traditionnel vs prototypage rapide

La création de modèles implique le traitement des données, y compris la coordination avec le client et l’usinage des modèles externes ainsi que les géométries de formation des noyaux avec l’assemblage des plaques de modèle et des boîtes à noyaux. Dans le flux de processus habituel d’une fonderie, l’étape de processus «création de modèles» représente le goulot d’étranglement critique des délais. Cela a conduit de nombreux clients à souder leurs prototypes à partir de tôle ou même à les sculpter dans une pièce solide de métal. Jusqu’à présent, c’était le seul moyen de pouvoir tester ou présenter des composants réels à temps pour le prochain salon, le démarrage annoncé de la production en série ou le début du test terrain, malgré la commande tardive du client final ou un retard finalisation du processus de conception. La réduction du temps nécessaire à la création de modèles de modèles est un moyen pour les fonderies et les clients de produire rapidement des prototypes à partir du matériau de série dans le processus de production en série malgré les perturbations du processus. En imprimant les composants du moule, c’est-à-dire les moitiés et les noyaux du moule, six semaines de création de modèles peuvent être raccourcies à cinq jours d’impression 3D.

La fabrication de modèles conventionnels peut prendre jusqu'à 6 semaines.
La fabrication de modèles conventionnels peut prendre jusqu’à 6 semaines.

(Paquet source: Brechmann-Guss)

Cependant, une restriction doit être prise en compte: pour chaque coulée (en coulée au sable), un moule perdu individuel est en principe nécessaire – cette procédure peut entraîner des coûts considérables en raison du grand volume des moules pour la géométrie extérieure du composant. Par conséquent, le processus d’impression-core et de construction conventionnelle d’un modèle pour la géométrie extérieure est très attractif en termes de coûts. Une autre alternative très intéressante – l’impression des moules plastiques en impression filamentaire – fait actuellement l’objet d’études. Le temps requis pour cette variante de processus n’augmente que légèrement, car dans la fabrication de modèles conventionnels, la production des boîtes à noyaux nécessite plus de temps – et c’est précisément cette étape de processus qui est remplacée.

La photo montre une imprimerie dans les moules de déballage de la fonderie de Grunewald.

L’expérience de nombreux projets a également montré que, au cours du projet, les demandes de modifications du client concernent généralement uniquement la géométrie interne – qui est imprimée en Rapid Casting – puisque les points de montage et l’espace d’installation (géométrie externe) restent inchangés. Dans les cas extrêmes, la géométrie interne peut être modifiée de la coulée à la coulée en imprimant les différents noyaux. L’avantage du processus devient significatif dans le cas de packages de base complexes. Dans certains cas, les coûts de production additive du noyau sont égaux à la production conventionnelle (souvent avec des opérations de collage / assemblage) – tout en étant plus rapide et plus précis (en fonte de fer, des CT8 imprimés au lieu des CT10 habituels sont possibles).

Assemblage d'un noyau de 7 segments différents dans une jauge d'encollage.
Assemblage d’un noyau de 7 segments différents dans une jauge d’encollage.

(Paquet source: Brechmann-Guss)

Fabrication additive indirecte

Fondamentalement, les processus de fabrication additive sont divisés en processus directs et indirects. Les processus indirects sont des processus qui, dans la première étape, créent un modèle / outil maître rapidement et avec une précision géométrique. Lors de la prochaine étape du processus, le modèle maître est traditionnellement moulé en composants avec des propriétés mécaniques et technologiques définies. Les exemples sont le moulage au sable et le moulage de précision sur la base de moules et noyaux perdus générativement. Les processus directs, par contre, produisent généralement directement le composant cible à partir de métal en utilisant le processus génératif.

Le saviez-vous…?

Outre le métal, le verre ou le plastique sont désormais également des matériaux possibles adaptés à l’impression 3D. Par exemple, même le Vatican – un client plutôt traditionnellement orienté – passe aux casques imprimés en 3D pour le remplacement des casques de sa Garde Suisse.

Le processus est basé sur des ensembles de données 3D, qui sont décomposés en couches minces individuelles sous la forme de fichiers STL («processus de découpage»). Dans l’imprimante proprement dite, une couche extrêmement mince de sable (300 à 500 µm) est appliquée sur la plaque d’impression. Une tête d’impression mobile avec un liant typique de la fonderie colle ensuite les grains de sable ensemble partout où le moule de sable / noyau de moulage au sable doit être créé. La plaque d’impression est abaissée d’une couche et le processus est répété jusqu’à ce que le moule de sable / noyau de sable soit terminé. Viennent ensuite le post-traitement et l’extraction du sable meuble, ce qui est un facteur de coût et de temps considérable dans les contours en filigrane de production.

Réduction du temps de processus grâce à la coulée rapide.
Réduction du temps de processus grâce à la coulée rapide.

(Paquet source: Brechmann-Guss)

Un aspect très important est évident: les processus d’assemblage sujets aux erreurs ainsi que la fabrication avec des pièces détachées sont éliminés et les reprises coûteuses sont réduites au minimum. En particulier pour les composants complexes tels que les roues de pompe ou les roues produites en lots plus petits, les coûts globaux du processus sont donc les mêmes – avec une plus grande précision et moins de risque de défaillance.

Chaque fondeur doit tenir compte de la plus grande quantité de liant (environ 10 fois) contenue dans les moules et noyaux imprimés et doit envisager à l’avance la poussée de gaz ou plutôt son contrôle et l’élimination des gaz. Cependant, étant donné que la stabilité dimensionnelle des géométries imprimées est élevée, des canaux de gaz peuvent être inclus dans l’ensemble de données et imprimés. Le cas échéant, il est possible de se dispenser simplement du liant pour les zones internes de la géométrie (noyau) ou d’imprimer le moule ou noyau partiellement creux dans ces zones.

Couverture du livre blanc: SLM

Chaîne de processus et flux de projet

La base des deux processus de projet est le jeu de données du composant, complété si nécessaire par un dessin, qui spécifie, entre autres, les données de matériau, les tolérances de forme et de support ainsi que les zones critiques (de test). Idéalement, le jeu de données est déjà disponible sous une forme adaptée au processus de coulée – sinon, une première clarification est nécessaire dans le cas d’un prototype. Un tirage et des contre-dépouilles «zéro» sont possibles lorsque vous travaillez avec des moules et des noyaux imprimés, mais ne conviennent pas à la production en série ultérieure utilisant la production de noyau conventionnelle – par exemple Cold Box ou Hot Box. Par conséquent, les distinctions suivantes sont faites:

  • Prototypes rapides (ne convient pas à la production en série)
  • Des prototypes, qui sont fabriqués à l’identique des séries de manière conventionnelle
  • Composants prototypes qui ne peuvent être produits qu’avec des moulures imprimées

Cette image compare une roue collée (à gauche) à une roue imprimée (à droite).
Cette image compare une roue collée (à gauche) à une roue imprimée (à droite).

(Paquet source: Voxeljet)

Moulage en filigrane - c'est plus facile avec les mandrins d'impression.
Moulage en filigrane – c’est plus facile avec les mandrins d’impression.

(Paquet source: Pinter Guss)

Dans le contexte de la production de prototypes, il y a toujours le problème supplémentaire des efforts de test: une mesure complète et un échantillonnage initial en tenant compte de toutes les caractéristiques du matériau prend quelques jours. Ne suffit-il pas de mesurer quelques dimensions principales / certaines dimensions critiques à des points aléatoires? L’expérience de l’utilisation continue de la chaîne de données 3D montre que toutes les dimensions importantes sont bonnes ou presque toutes sont mauvaises – vous le remarquerez déjà après les cinq premières dimensions, ce qui permet de gagner du temps pendant le projet. À cet égard, la mesure de 80 valeurs n’apporte que peu ou pas de nouvelles connaissances. Après tout, à qui profite l’extraction méticuleuse de minuscules échantillons d’un composant pour déterminer des paramètres de matériau peu utiles – comme la force d’impact de la fonte nodulaire – si la pièce fonctionne réellement sur le banc d’essai? Si le composant résiste au banc d’essai malgré un écart par rapport aux caractéristiques du matériau théoriquement déterminées, alors la spécification semble avoir été incorrecte. Il n’y a donc aucune raison de répéter le processus de production, mais plutôt la nécessité absolue de corriger ces erreurs.

Mais revenons à la chaîne de processus: une fois la conception finale déterminée, la technique de coulée est spécifiée et simulée. L’impression du moule – qu’il s’agisse d’un moule unique en sable ou d’un modèle en plastique réutilisable – et / ou des noyaux prend environ cinq jours ouvrables, plus le transport d’un fournisseur de services externe à la roulette. On peut supposer que le moulage, le refroidissement, le sablage et le meulage prennent deux jours si les flux de travail internes ont été définis en conséquence.

Simulation de remplissage de moule pour le processus de coulée d'un adaptateur.
Simulation de remplissage de moule pour le processus de coulée d’un adaptateur.

(Paquet source: Brechmann-Guss)

Dans le cas d’un fabricant en série qui produit non seulement des prototypes mais aussi des composants de série en fonctionnement multi-équipes, l’expérience montre que le personnel doit être sensibilisé (et si nécessaire le marquage de commande ou même le marquage des documents de travail doit être de couleur variée ) afin de terminer le processus « sans accident ». Un chef de projet désespéré à la recherche de ses pièces dans le département de production est l’un des effets secondaires opérationnels de ces nouveaux procédés de fabrication non conventionnels et encore non formés.

En fin de compte, la fonderie livre des prototypes («4s») adaptés à la production en série dans le matériau en série dans des conditions de production en série dans le «moulage à la machine en série» – il n’y a pas de moulages individuels improvisés à l’aide de diverses astuces. Si le composant entre ensuite dans la production en série, même un essai pilote ou une petite série pour les tests sur le terrain peuvent toujours être produits à l’aide de noyaux d’impression 3D – mais à des coûts plus élevés. Dans ce cas, la production des ensembles de noyaux en série peut être réalisée en parallèle. Le «rythme effréné du processus» des lancements de pièces précédents est ainsi éliminé.

À suivre…

Dans la deuxième partie de la série d’articles, nous présenterons la liberté optique en matière de mise en forme offerte par la coulée rapide. Un deuxième objectif est l’optimisation de la topologie des composants.

* Dr. Ulf Schliephake est technico-commercial chez Brechmann-Guss, tél .: +49 5207 / 8904-778, Email: u.schliephake@brechmann-guss.de

* Thomas Friedl est Head of Consulting and Sales chez Pinter Guss, tel.:+49 991/320 18-29, Email: thomas.friedl@pinterguss.de

* Dr. Daniel Günther est chef du département des matériaux de moulage et de la formation de moules à l’Institut Fraunhofer pour la technologie de la coulée, des composites et de la transformation IGCV, tél.: +49 89 350946 120, e-mail: daniel.guenther@igcv.fraunhofer.de

* Volker Junior est Managing Director chez phoenix, tél .: +49 89 9/2729 82, Email: VJunior@phoenix-innovation.de

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