FR2927269A1

FR2927269A1 - Preforme et procede pour la fabrication d'une piece dont une partie interieure est en mousse metallique

Info

Publication number: FR2927269A1
Application number: FR0850924A
Authority: FR
Inventors: Yves Gaillard; Michel Fleuriot; Patrick Priot
Original assignee: C T I F CT TECH DES IND de la
Current assignee: Centre Technique des Industries Mecaniques CETIM
Priority date: 2008-02-13
Filing date: 2008-02-13
Publication date: 2009-08-14
Anticipated expiration: 2028-02-13
Also published as: FR2927269B1

Abstract

Préforme (10) apte à être utilisée comme noyau destructible pour la fabrication, par voie de fonderie, d'une pièce en métal ou en alliage, une partie intérieure de cette pièce étant en mousse métallique à cellules ouvertes, cette préforme comprenant une coque extérieure (11) et plusieurs éléments (12) enfermés à l'intérieur de cette coque (11), ces éléments étant maintenus en contact les uns avec les autres par ladite coque et définissant entre eux des interstices (14) suffisamment grands pour permettre l'infiltration dudit métal ou alliage fondu, et la coque extérieure (11) étant traversée dans son épaisseur par des trous (17) suffisamment grands pour permettre l'infiltration dudit métal ou alliage fondu.

Description

L'invention concerne une préforme apte à être utilisée comme noyau destructible pour la fabrication, par voie de fonderie, d'une pièce en métal ou en alliage, une partie intérieure de cette pièce étant en mousse métallique, c'est-à-dire en métal ou en alliage et ayant une structure présentant des cavités internes, ou cellules. L'invention concerne également un procédé de fabrication utilisant cette préforme et la pièce obtenue par ce procédé. Aujourd'hui, pour fabriquer une pièce en métal ou en alliage avec une partie intérieure en mousse métallique, on utilise les procédés connus suivants. Selon un premier procédé connu, on réalise d'abord une première pièce intégralement en mousse métallique. La publication intitulée 'Tensile Behavior of Replicated Aluminum Foams", écrite par 1F. Despois, Y. Conde, C. San Marchi et A. Mortensen, et parue dans la revue Advanced Engineering Materials 2004, 6, n° 6, page 444, décrit l'utilisation d'une préforme 15 constituée d'éléments agrégés, pour réaliser une pièce intégralement en mousse d'aluminium. Ensuite, cette première pièce est utilisée en tant qu'insert dans une deuxième pièce. Selon ce premier procédé connu, on fabrique donc les première et deuxième pièces séparément et on les assemble ensuite pour former la pièce 20 finale. Dans certains cas, il est difficile de lier mécaniquement ou chimiquement ces première et deuxième pièces en raison de la présence d'oxydes sur la surface extérieure de la première pièce. C'est notamment le cas lorsque cette première pièce est en mousse d'aluminium, de l'alumine se formant à la surface de la pièce. 25 Selon un second procédé connu, on remplit la partie évidée d'une pièce existante en métal ou en alliage par un produit moussant capable de se solidifier. Là encore, la partie en mousse métallique et les autres parties de la pièce sont fabriquées selon deux étapes bien distinctes. L'invention a pour but de proposer une préforme et un procédé 30 utilisant une telle préforme, qui constitue une alternative aux procédés connus. Pour atteindre ce but, l'invention a pour objet une préforme apte à être utilisée comme noyau destructible pour la fabrication, par voie de fonderie, d'une pièce en métal ou en alliage, une partie intérieure de cette 35 pièce étant en mousse métallique à cellules ouvertes, cette préforme comprenant une coque extérieure et plusieurs éléments enfermés à l'intérieur de cette coque, ces éléments étant maintenus en contact les uns avec les autres par ladite coque et définissant entre eux des interstices suffisamment grands pour permettre l'infiltration dudit métal ou alliage fondu, et la coque extérieure étant traversée dans son épaisseur par des trous suffisamment grands pour permettre l'infiltration dudit métal ou alliage fondu. L'invention a également pour objet un procédé de fabrication par voie de fonderie, d'une pièce de métal ou d'alliage, une partie intérieure de cette pièce étant en mousse métallique à cellules ouvertes, ce procédé comprenant 10 les étapes suivantes : - on fournit une préforme selon l'invention, - on dispose ladite préforme dans un moule en laissant un espace vide entre la préforme et une paroi dudit moule, - on coule un métal ou un alliage fondu dans le moule de sorte que 15 celui-ci remplit ledit espace vide et s'infiltre dans ladite préforme, et - on détruit ladite préforme après solidification du métal ou de l'alliage. Ce procédé de fabrication a l'avantage d'être économique et industrialisable car ses étapes sont simples à mettre en oeuvre. En outre, il permet de fabriquer, par fonderie, en une seule coulée, une pièce ayant une 20 partie intérieure en mousse métallique. Ainsi, l'invention a également pour objet une pièce de fonderie monobloc, c'est-à-dire réalisée en une seule coulée, en métal ou en alliage, comprenant : une partie intérieure en mousse métallique à cellules ouvertes une partie extérieure ayant une structure pleine, c'est-à-dire sans cavité 25 interne et plusieurs bras de liaison, distants les uns des autres, reliant la partie intérieure à la partie extérieure. La partie intérieure de la pièce, en mousse métallique, est formée à la place desdits éléments de la préforme de l'invention. La partie extérieure de la pièce ayant une structure pleine est formée autour de la partie intérieure, à 30 la place dudit espace vide qui borde la préforme de l'invention. Lorsque cette partie extérieure est de faible épaisseur, elle forme une fine enveloppe extérieure souvent appelée "peau" de la pièce. Entre les parties intérieure et extérieure, il existe une partie intermédiaire formée à la place de la coque extérieure. Cette partie intermédiaire est constituée par lesdits bras de 35 liaison, formés à la place des trous de la coque extérieure.

Le nombre, la répartition, la forme et les dimensions (longueur et section) des trous de la coque extérieure, et donc des bras de liaisons précités, sont choisis en fonction des efforts et de la résistance mécanique recherchés localement entre la partie intérieure, en mousse, et la partie extérieure, pleine, de la pièce, mais également en fonction des contraintes d'infiltration du métal ou de l'alliage dans la préforme, lors de la coulée. Une solution pour empêcher les éléments de traverser les trous de la coque extérieure consiste à prévoir des trous suffisamment petits pour que lesdits éléments ne puissent pas les traverser et s'échapper de la coque.

Une autre solution pour empêcher les éléments de traverser les trous de la coque extérieure est d'utiliser un système de maintien recouvrant l'orifice d'entrée de ces trous. Ce système de maintien peut, par exemple, être une grille. Une telle grille peut subsister dans la pièce fabriquée ou être détruite lors de la coulée du métal ou de l'alliage fondu.

Bien entendu, ces deux solutions peuvent être combinées. Généralement, on fait en sorte que la coque extérieure et les éléments de la préforme soient suffisamment solides pour que la préforme puisse être manipulée et transportée facilement. Ainsi, la préforme peut être préparée dans un premier atelier et transportée ensuite dans un atelier de fonderie, le fondeur s'occupant des étapes ultérieures de fabrication de la pièce, qui ne présentent pas de difficulté particulière pour lui, à savoir la préparation du moule de coulée, la coulée, le démoulage et la destruction du moule et de la préforme. Le caractère manipulable de la préforme est important lors du remmoulage de celle-ci dans le moule de coulée.

Selon un mode de réalisation de la préforme de l'invention, la coque extérieure est en sable aggloméré. Ce sable est généralement aggloméré à l'aide d'un liant chimique capable de se dégrader sous l'effet de la température lors de la coulée du métal ou de l'alliage fondu. Cette solution permet d'obtenir une préforme suffisamment solide, comme mentionné ci-30 dessus. Selon un mode de mise en oeuvre du procédé de l'invention, après solidification du métal ou de l'alliage, on détruit la coque extérieure de la préforme par vibration. C'est notamment le cas lorsque cette coque est en sable aggloméré.

Selon un mode de réalisation de ladite préforme, les éléments qui constituent la préforme sont des billes et présentent donc une forme générale sphérique. La forme sphérique des éléments garantit un empilement compact et régulier de ces éléments, de sorte que la mousse fabriquée présente une structure homogène. Pour fabriquer une mousse isotrope, on utilise, de préférence, des billes de même diamètre. Pour améliorer la compacité de la préforme, on peut utiliser des billes de diamètres différents. Selon un mode de réalisation, lesdits éléments sont des billes de diamètre supérieur ou égal à 4 mm. A partir d'un tel diamètre, il est généralement possible de couler la plupart des métaux et alliages fondus à la pression atmosphérique. Le coût de fabrication de la pièce s'en trouve diminué. On notera que toute autre géométrie pourrait être retenue pour les éléments de la préforme, y compris des géométries aléatoires. 15 D'une manière générale, les éléments de la préforme sont, de préférence, réalisés en des matériaux permettant une mise en forme (forme et taille) maîtrisée des éléments, résistant aux manipulations, résistant au métal ou à l'alliage fondu lors de la coulée, ne créant pas (ou peu) de dégagement gazeux lors de cette coulée, et étant destructible facilement et 20 rapidement. Ces éléments peuvent, par exemple, être réalisés par granulation, compression, compactage, moulage, etc, Selon un mode de réalisation, lesdits éléments sont en sel de base NaCl, en kaolin ou en un mélange des deux. Ces matériaux vérifient les exigences précitées. En outre, le sel a pour avantage de pouvoir être dissout 25 dans l'eau (solvant économique) et le kaolin d'être entièrement recyclable. Un mélange sel/kaolin permet de combiner les avantages de ces deux matériaux. Selon un mode de mise en oeuvre du procédé de l'invention, on détruit lesdits éléments de la préforme par dissolution ou par vibration. Par exemple lorsque ces éléments sont en sel, on peut les détruire par dissolution. 30 Lorsqu'ils sont en kaolin, on peut les détruire par vibration. Selon un mode de mise en oeuvre du procédé de l'invention, on détruit d'abord la coque extérieure de la préforme et, ensuite, on détruit les éléments de la préforme par dissolution dans un solvant. Dans ce cas, la destruction préalable de la coque extérieure facilite la bonne circulation du 35 solvant autour des éléments et donc leur dissolution.

L'invention et ses avantages seront encore mieux compris à la lecture de la description détaillée qui suit. Cette description fait référence aux figures annexées sur lesquelles : - la figure 1 représente schématiquement, en perspective, un exemple s de préforme selon l'invention ; - la figure 2 représente la préforme de la figure 1, en section dans le plan II-II ; - les figures 3 et 4 représentent schématiquement deux étapes d'un exemple de procédé utilisant la préforme des figures 1 et 2 ; et 10 - la figure 5 représente la pièce fabriquée selon ce procédé. La préforme 10 représentée sur les figures 1 à 3 est constituée d'une coque extérieure 11 et de plusieurs éléments 12 enfermés à l'intérieur de cette coque 11. Cette préforme 10 est destinée à être utilisée comme noyau 15 destructible pour la fabrication, par voie de fonderie, de la pièce 50 représentée sur la figure 5. Cette pièce 50, réalisée intégralement en métal ou en alliage, présente une partie intérieure 52 en mousse métallique à cellules ouvertes 53. Pour fabriquer la pièce 50, on procède de la manière générale 20 suivante : on dispose la préforme 10 dans un moule 40, représenté sur les figures 2 et 3, en laissant un espace vide 42 entre la préforme 10 et une paroi 44 dudit moule ; on coule un métal ou un alliage fondu dans le moule 40 de sorte que celui-ci remplit ledit espace vide 42 et s'infiltre dans ladite préforme 10 ; et on détruit ladite préforme 10 après solidification du métal ou 25 de l'alliage. La coque extérieure 11 de la préforme 10 peut être réalisée selon n'importe quel procédé connu de fabrication de noyau destructible de fonderie, du moment que cette coque 11 soit suffisamment solide pour pouvoir être manipulée, notamment être remmoulée dans le moule 40, et 30 puisse être détruite après moulage de la pièce 50. La coque extérieure 11 de la préforme 10 est, par exemple, réalisée en sable aggloméré à l'aide d'un liant chimique suivant un procédé "Croning" ou un procédé "boîte froide". La coque extérieure 11 est traversée dans son épaisseur par des trous 17. Ces trous 17 sont suffisamment petits pour que les éléments 12 ne 35 puissent pas les traverser et s'échapper ainsi de la coque 11.

De préférence, la coque 11 est réalisée en plusieurs parties assemblées afin de permettre la mise en place, à l'intérieur de celle-ci, des éléments 12. Dans l'exemple, la coque 11 est réalisée en deux parties une partie inférieure 11b définissant une cavité ouverte et une partie supérieure 11a formant un couvercle fermant cette cavité. Une fois assemblées, ces deux parties définissent entre elles un espace de contour fermé dans lequel les éléments 12 sont enfermés. Dans l'exemple, les éléments 12 sont des billes de sel de base NaCl. Ces billes sont de même diamètre et, par exemple, celui-ci est compris entre 5 et 10 mm. Les éléments 12 sont disposés dans la coque extérieure 11 de manière à être en contact les uns avec les autres. Les éléments 12 définissent entre eux des interstices 14 et c'est dans ces interstices 14 que s'infiltre le métal ou l'alliage fondu constitutif de la partie intérieure 52 en mousse métallique de la pièce 50. Seule la coque 11 permet de maintenir les éléments 12 en contact et aucun liant n'est utilisé à cet effet. Il est intéressant de ne pas utiliser de liant pour agglomérer les éléments 12 car on évite ainsi les dégagements gazeux liés à l'évaporation de ce liant lors de la coulée du métal ou de l'alliage. Or, de tels dégagements gazeux risquent de perturber l'infiltration du métal ou de l'alliage entre les éléments 12 et, donc, de conduire à une structure de mousse inhomogène. Différentes méthodes peuvent être employées pour fabriquer les éléments 12. Il est important de pouvoir s'assurer de la répétitivité de la méthode employée, pour garantir une régularité de forme et de taille des éléments 12 fabriqués. En effet, le contact entre les éléments 12 dépend de la forme et de la taille de ces éléments. Or, si un élément 12 est sans contact avec les autres éléments 12, il ne peut pas, par la suite, être détruit et évacué et reste donc prisonnier à l'intérieur de la pièce 50. Différentes formes peuvent être retenues pour les éléments 12 (prismatique, sphérique, etc.). La forme sphérique présente un avantage lorsque les éléments 12 sont placés "en vrac" dans la coque extérieure 11, car cette forme permet d'obtenir un empilement suffisamment compact et ordonné des éléments 12 et de limiter la probabilité d'avoir un élément isolé des autres. Pour améliorer la compacité et la régularité de l'empilement des éléments 12 dans la coque 11, on peut déposer ces éléments 12 couche par couche : on dépose une première couche d'éléments 12, puis on densifie ces éléments avant de déposer une deuxième couche, etc. Le nombre de couches dépend de la forme et de la taille de la coque 11. Pour densifier les éléments 12, soit on les tasse, soit on soumet la coque à des secousses et/ou à d'autres mouvements adaptés. s Les figures 3 et 4 montrent comment la préforme 11 est remmoulée dans le moule 40. Dans cet exemple, le moule 40 est en sable aggloméré. Ce moule 40 comprend une partie supérieure 40a et une partie inférieure 40b qui emprisonnent la préforme 10 de telle sorte qu'il subsiste un espace vide 42 entre la préforme 10 et une paroi interne 44 du moule. La préforme est prise dans le moule au niveau de ses portions d'extrémité 13 hachurées sur la figure 1. La technique de moulage en sable étant bien connue de l'homme du métier, elle ne sera pas décrite plus en détail. Comme alternative au moule en sable, on peut utiliser un moule métallique. 15 Ensuite, on coule l'alliage (ou le métal) fondu 47 dans le moule 40 comme schématisé sur la figure 4. L'alliage 47 remplit alors l'espace vide 42 et s'infiltre dans la préforme 10. Après solidification de l'alliage, on détruit le moule 40. A ce stade, la préforme 10 est toujours contenue dans la pièce 50. On détruit alors la coque extérieure 11 de la préforme 10 par vibration. Seuls 20 les éléments 12 restent alors dans la pièce 50. Pour détruire ces éléments 12, on les dissout en plongeant la pièce 50 dans un solvant. La dissolution des éléments 12 est facilitée par la circulation du solvant dans l'espace vide apparu à la place de la coque 11 précédemment détruite. La pièce 50 obtenue après destruction des éléments 12 est 25 représentée sur la figure 5. Elle présente trois parties de structures différentes : une partie intérieure 52 en mousse métallique à cellules ouvertes 53, formée à la place des éléments 12 une partie extérieure 56, ou peau , ayant une structure pleine, située autour de la partie intérieure 52 et formée à la place de l'espace vide 42 ; et une partie intermédiaire 54, 30 située entre les parties intérieure 52 et extérieure 56, et formée à la place de la coque extérieure 11. Cette partie intermédiaire 54 est constituée de plusieurs bras de liaison 55 distants les uns des autres, formés à la place des trous 17 de la coque 11. Ces bras de liaison 55 relient la partie intérieure 52 à la partie extérieure 56.

Au final, un tel procédé permet de réaliser une pièce métallique alliant une ou plusieurs parties extérieures de structure pleine et une ou plusieurs parties intérieures en mousse métallique. Ces parties intérieures peuvent être limitées aux zones de la pièce qui le requièrent (par exemple pour obtenir un allègement, ou une modification du comportement vibratoire de la pièce) tandis que les parties extérieures sont préférées dans les zones de la pièce les plus sollicitées mécaniquement. La résistance mécanique de la pièce, et notamment la résistance mécanique locale entre les parties intérieure(s) et extérieure(s), peut être adaptée facilement aux besoins en jouant sur le nombre, la répartition et les dimensions des bras de liaisons formant l'interface entre les parties intérieure(s) et extérieure(s). La pièce métallique fabriquée peut trouver une application dans de nombreux domaines et, notamment, dans le domaine de l'automobile ou celui de l'aéronautique, où la diminution du poids des pièces utilisées, sans sacrifier la résistance mécanique de celles-ci, est une préoccupation constante.

Claims

REVENDICATIONS

1. Préforme apte à être utilisée comme noyau destructible pour la fabrication, par voie de fonderie, d'une pièce en métal ou en alliage, une s partie intérieure de cette pièce étant en mousse métallique à cellules ouvertes, cette préforme étant caractérisée en ce qu'elle comprend une coque extérieure (11) et plusieurs éléments (12) enfermés à l'intérieur de cette coque, ces éléments étant maintenus en contact les uns avec les autres par ladite coque et définissant entre eux des interstices (14) suffisamment i0 grands pour permettre l'infiltration dudit métal ou alliage fondu, et la coque extérieure étant traversée dans son épaisseur par des trous (17) suffisamment grands pour permettre l'infiltration dudit métal ou alliage fondu.

2. Préforme selon la revendication 1, dans laquelle ladite coque is (11) est en sable aggloméré.

3. Préforme selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle lesdits éléments (12) sont des billes. 20

4. Préforme selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle lesdits éléments (12) sont en sel de base NaCl, en kaolin ou en un mélange des deux.

5. Préforme selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans 25 laquelle les trous (17) de la coque extérieure (11) sont suffisamment petits pour que lesdits éléments (12) ne puissent pas les traverser.

6. Préforme selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, comprenant, en outre, un système de maintien, notamment une grille, 30 recouvrant l'orifice d'entrée des trous de la coque extérieure (11), pour empêcher lesdits éléments (12) de traverser ces trous (17).

7. Procédé de fabrication, par voie de fonderie, d'une pièce de métal ou d'alliage, une partie intérieure de cette pièce ayant une structure de 35 mousse à cellules ouvertes, ce procédé comprenant les étapes suivantes : 10- on fournit une préforme (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes ; - on dispose ladite préforme dans un moule (40) en laissant un espace vide (42) entre la préforme et une paroi (44) dudit moule - on coule un métal ou un alliage fondu dans le moule (40) de sorte que celui-ci remplit ledit espace vide (42) et s'infiltre dans ladite préforme (10) ; et - on détruit ladite préforme (10) après solidification du métal ou de l'alliage.

8. Procédé de fabrication selon la revendication 7, dans lequel on détruit la coque extérieure (11) de la préforme par vibration.

9. Procédé de fabrication selon la revendication 7 ou 8, dans lequel 15 on détruit lesdits éléments (12) de la préforme par dissolution ou par vibration.

10. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, dans lequel on détruit d'abord la coque extérieure (11) 20 de la préforme et, ensuite, lesdits éléments (12) de la préforme par dissolution.

11. Pièce de fonderie monobloc, en métal ou en alliage, comprenant une partie intérieure (52) en mousse métallique à cellules ouvertes, une 25 partie extérieure (56) ayant une structure pleine, et plusieurs bras de liaison (55), distants les uns des autres, reliant la partie intérieure à la partie extérieure.