Découvrez notre plateforme de fonderie rapide

Oct 1, 2019Industrialisation

La fonderie rapide utilise les procédés d’impression 3D pour accélérer l’obtention de pièces en fonderie tout en facilitant l’obtention de pièces complexes. Ce type de fonderie est particulièrement adapté aux pièces unitaires et petites séries.

L’outillage de fonderie peut être réalisé par plusieurs procédés de fabrication additive :

  • impression 3D de moules en sable avec liant;
  • impression 3D de modèles perdus (PMMA, résine, PSE…);
  • réalisation de modèles permanents par stratoconception (résine, bois, métal…).

INOVSYS dispose de partenaires sur ces différents procédés et, plus particulièrement, d’une plateforme de fonderie d’alliages légers avec impression de moules en sable. Ce procédé est mis en oeuvre à Aix-en-Provence avec notre partenaire Arts et Métiers ParisTech.

La fonderie rapide vise à apporter des solutions à vos problématiques de fiabilité, robustesse, temps de développement et coût, pour de la fabrication de pièces fonctionnelles ou des travaux de R&D.

Nous vous proposons de découvrir ce procédé dans cet article.

1. Le contexte de la fonderie en France

Le secteur de la fonderie fait partie de l’industrie des biens intermédiaires et se situe en amont de toutes les branches utilisatrices de pièces métalliques. De par son activité de sous-traitance industrielle, elle fournit tous les grands secteurs industriels.
La filière « fonderie» en France est aujourd’hui fragilisée, elle manque de visibilité, et, en perte de savoir-faire, elle doit aussi faire face à la concurrence des pays à bas coûts. La relation « donneurs d’ordres/sous-traitants » n’est pas suffisamment forte pour pouvoir assurer la juste qualité au juste prix dans le respect des délais, alors que des grands donneurs d’ordres dans de multiples domaines comme l’automobile et l’aéronautique s’appuient sur ce procédé. Ces problématiques constituent des obstacles pour :

  • La « maîtrise » du produit et du procédé d’industrialisation de pièces en fonderie ;
  • Le développement des solutions innovantes basées sur les nouvelles technologies ;
  • La réduction des temps de développement des produits car l’initiative est jugée trop risquée (« on fait comme avant de peur de ne plus garantir la qualité du produit ») ;
  • La valorisation des nouveaux procédés de fonderie face aux autres procédés.

De plus, il faut compter avec de nouveaux acteurs dans les pays émergents, notamment en Chine et en Inde où des champions sont en train de naître. Les parts de marché de la fonderie se sont par conséquent érodées au fil des années. Le secteur de la fonderie de précision (dans le secteur aéronautique en particulier) souffre d’un important déficit d’image qui pénalise sa croissance. Cependant, depuis 2009 – année où la fonderie avait connu une crise importante avec une baisse du CA de 24,7%, sa croissance semblait repartir pour finalement redescendre de 6,4% en 2012. On notera en 2009 un CA global de la fonderie française de 4,7 milliards d’euros pour arriver en 2013 à 5,8 milliards d’euros. Celui-ci est relativement stable depuis (5,7 milliards d’euros en 2018).

En 2018, la filière de la fonderie française regroupait environ 380 entreprises, employant 30 025 personnes, deux chiffres en baisse.

45% de l’activité est réalisée avec le secteur automobile, chiffre en hausse (source : Fédération Forge Fonderie, chiffres clés 2018).

Un certain nombre de points doivent ainsi être pris en compte pour que la fonderie puisse de nouveau constituer une option intéressante pour les industriels :

  • La qualité de la production (réduction du nombre de rebuts en phase série)
  • L’augmentation des cadences de production (pour faire face aux besoins des industries clientes)
  • Le prototypage rapide (afin de minimiser les temps de conception et d’industrialisation)
  • La réduction des coûts de production (à la fois en termes de conception et de processus de fabrication)
  • La recherche de nouveaux matériaux mieux adaptés aux techniques de fonderie
  • La compatibilité avec les dispositifs REACH

2. Les moyens de fonderie rapide de notre plateforme

La présente plateforme est un centre de R&D de rang mondial accessible aux concepteurs et développeurs de composants. Elle repose sur des moyens innovants et compétitifs de conception et de prototypage de pièces de fonderie en Aluminium/Magnésium. Elle s’appuie sur des structures de haut niveau scientifiques et technologiques et s’engage dans une logique d’amélioration continue « produit-procédé-processus ». 

La plateforme permet de réaliser des prestations dès aujourd’hui. Elle est également le lieu de plusieurs programmes de recherche pour développer de nouvelles compétences. Les équipements sont :

  • Un four de fusion basse pression Magnésium/Aluminium instrumenté
  • Un système fabrication rapide de moule 3D en sable
  • Un morphoscan 3D de caractérisation multiéchelle et multiphysique

Le dispositif technologique développé dans le cadre de la plateforme, pour accélérer l’émergence de la filière fonderie innovante, intègre la fabrication de prototypes rapides et à un coût optimisé pour atteindre les performances visées en matière de recherche et de développement. Ce service de prototypage rapide est innovant, de par son approche multisectorielle (les services actuellement disponibles en Europe ne visent en effet qu’un seul secteur d’application) et sa compatibilité avec la fonderie classique et la phase d’industrialisation. Pour ce faire, cet outil de production intègre dans le dispositif une machine de fabrication additive, avec un procédé d’impression 3D de moule sable, qui permet de créer rapidement des prototypages de moules de toutes dimensions. De plus, cette technologie permet le « retrofitage » ou la « retro-conception » de pièces de fonderie. En effet, à partir d’un scan 3D à haute résolution et à larges échelles de pièces maîtresses, nous pouvons via une reconstruction CAO fabriquer de nouveau le moule de coulée correspondant, tout en faisant évoluer les matériaux et fonctions de la pièce initiale.

3. Le dispositif de fonderie instrumenté

Il est principalement constitué de :

  • Four de fusion d’alliages légers et de coulée basse pression KURTZ AL 12-15 SC-Mg semi-enterré avec plateau hydraulique. Capacité: 210 kg Al (creuset céramique) et 175 kg Mg (creuset acier)Four de fusion d’alliages légers et de coulée basse pression KURTZ AL 12-15 SC-Mg semi-enterré avec plateau hydraulique. Capacité: 210 kg Al (creuset céramique) et 175 kg Mg (creuset acier)
  • Commande SIMATIC S7, contrôle pression, vitesse de remplissage réglable de 1 à 30 mbar/s, mélange gaz Ar/SF6
  • Dégazage Al, spectromètre, densimètre, étuve traitements thermiques, instrumentation par capteurs de température, pression, déplacement… 

Four de fonderie pour alliages légers aluminium et magnésium

Le dispositif propose une élaboration maîtrisée et innovante de pièces moulées en alliages légers (aluminium et magnésium) avec une coulabilité robuste en liaison avec leur microstructure, dite « fonctionnalisée », obtenue par coulée basse pression en moule sable imprimée, et ce afin de répondre aux soucis d’allègement et de réduction des coûts.
Notre solution permet de :

  • Définir une méthodologie de fabrication robuste et directe de pièces compétitives en alliages légers (aluminium et magnésium) en liaison avec leur microstructure inhérente aux paramètres « process » de leur élaboration ;
  • Optimiser la mise en oeuvre des pièces structurales en magnésium et aluminium par la définition des spécifications technologiques relatives à la coulée, à la solidification et à la fabrication directe d’outillages en relation avec le cahier des charges de la conception amont ;
  • Innover dans le couple Matériau/Procédé par l’élaboration des alliages légers (Magnésium et Aluminum) supérieurs par l’intégration du traitement de fonctionnalisation directement dans la chaude de coulée des pièces de fonderie.

Le choix simultané de cette approche fine à la fois globale et locale (aspect multi échelle) permet en cas d’échec de la solution innovante relative au couple Matériau/Procédé de:

  • Intégrer les connaissances acquises par le développement des outils d’ingénierie pour maîtriser la fabrication standard de ces produits et en accélérer le cycle de développement ;
  • Enrichir le cadre des méthodologies industrielles de contrôle des pièces de fonderie en alliages légers.

4. Le système de production 3D directe de moules et noyaux de fonderie

Le dispositif de production directe de moule s’appuie sur :

  • Technologie d’impression 3D de moules en sables et résine à prise chimique, ExOne SPrint furan extension phénol, avec station de désensablage
  • Volume de travail: L80xP50xH40cm à 20s/strate
  • Précision: résolution 0,1mm (X,Y), tolérance pièce ±0,35mm
  • Etuve de polymérisation phénolique, perméamètre, déformation à chaud…
  • Sables SiO2 à 0,14 et 0,19 mm

 Imprimante sable de moules de fonderie ExOne S-Print

Le dispositif de prototypage rapide se veut innovant : à la fois par son approche multisectorielle, et par sa compatibilité avec la fonderie conventionnelle. Notre solution permet ainsi de couler ou valider une pièce de fonderie en alliages légers (magnésium et aluminium) à moindre frais dans un délai minimum, et ce en ayant un process 100% compatible avec la fonderie classique et la phase industrialisation. Il sert donc de support permettant de créer des prototypages rapidement de moules de toutes les dimensions. Ainsi un industriel, quel que soit son secteur, peut obtenir à terme un moule de fonderie utilisable par la filière classique de coulée dans un délai de 1 semaine (3 à 4 semaines par les procédés actuels), tout en ayant une CAO de moule imprimé qui sera 100% compatible avec la phase industrialisation de son produit.Les avantages de cette solution sont multiples :

  • Gain de temps de développement dans le cadre de la conception d’une pièce destinée à être fabriquée en fonderie
  • Maîtrise des itérations de conception
  • Réduction des coûts de réalisation (car absence d’outillages de modelage de moules)
  • Intégration de nouvelles fonctions dans la conception du moule (refroidissement, épaisseur limite de peau, coating de surface …).

De plus ce dispositif autorise le « retrofitage » ou la « retro-conception » de pièces de fonderie dont les plans et/ou outillages de moules ont soit disparu soit n’ont jamais été réalisés. En effet, à partir d’un scan 3D de pièces maîtresses, nous pouvons fabriquer de nouveau le moule de coulée correspondant, tout en faisant évoluer les matériaux et fonctions de la pièce initiale. Ceci moyennant l’étude de moulage (définition des systèmes de remplissage, des systèmes de masselottage, des talus, des noyaux, etc.) qui constitue un verrou technique, notamment en fonderie aéronautique de précision. Pour valoriser ces technologies auprès des industriels, il est nécessaire de les impliquer dans la démarche de développement. 2.2. Système de production 3D directe de moules et noyaux de fonderie

5. Exemple de moyen de caractérisation : morphoscan 3D de mesurage à résolution nanométrique et larges échelles

Caractéristiques de l’équipement MICHALEX Morphoscan :

  • Tables de déplacement à résolution nanométrique (x,y) sur 50 mm
    Mesure de coefficients de friction, charge, dureté, mouillabilité, profilométrie
  • Force de contact ≤ 1µN, capteur de force 500 mN (normal et latéral)
  • Enceinte hygrométrique à humidité contrôlée
  • Essais en température jusqu’à 220±0,03°C
    3 microscopes optiques et moniteurs vidéo (dessus, sous-face et profil)
  • Bâti support stable avec réglage fin de la planéité et limitant les vibrations
  • Logiciel open de contrôle et exploitation des données
  • Représentation 3D de la topographie de surface et de résistance à la rayure
  • Profil d’expérience paramétrable et programmable

6. Descriptif des infrastructures

Zone four : 110 m²
Nouvelle dalle + fosse

Zone scléromère: 90 m²

Zone imprimante et ébarbage Mg : 90m²
Nouvelle dalle + cloisons + ventilation