SYS-849: Techniques avancées de mise en forme

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1 SYS-849: Techniques avancées de mise en forme Cours# 11: Mise en forme par coulage mécanique (Die Casting) Boîtier de connexion électronique en zinc Source: NADCA: North American Die Casting Association (Association Nord américaine de fonderie sous pression Structure d une Audi en aluminium Contenu 1. Introduction au Die-Casting 2. Alliages pour le Die-Casting 3. Machines de Die-Casting 4. Guide de conception 5. Spec. des machines 6. Choix de machines SYS

2 Procédés usuels Par type de moule Moules non-permanents (Moule détruit après chaque coulée pour rétirer la pièce) - Moulage au sable : sand casting (Modèle permanent) - Moulage à la cire perdue : lost wax investment casting (Modèle non-permanent) Moule permanent (pas de modèle) - moulage ou coulage en matrice (die casting) Source: C. Poli, Design for Manufacturing, a structured approach, BH, 2001 Points communs Fusion de l alliage métallique Le métal fondu est versé ou forcé dans le moule Refroidissement, solidification, retraicissement (exception de la fonte grise) Prise de la forme du moule Certains nécessitent un fini soigné (apparance, tolerance, fini de surface) Grande varieté des alliages disponibles Aluminum, zinc, cuivre, Source: C. Poli, Design for Manufacturing, a structured approach, BH,

3 Inconvénients du coulage Porosité (réduit la résistance des pièces) Variation dimensionnelle (due au rétraicissement) Inclusions (solide ou gaz) causés par le procédé Formation de gros gains (nuit aux propriétés mécaniques) Microstructure de A319 ((Al-5-6Si-3-4Cu) Les microporosités sont visibles sous la forme de zônes plus noires que le reste de la photo. La taille de ces défauts est très faible mais ils affectent la ductile et la résistance à l amorce des fissures Source: C. Poli, Design for Manufacturing, a structured approach, BH, 2001 Porosité Microstructure de A356 (7Si 0.3 Mg) A Agrandissement : 50 x 3

4 Procédés: Moulage au sable: étapes Creation du moule ( 2 parties) par tassessement du sable autour du modèle Sortir le modèle et placer le noyau dans le moule Placer l autre partie du moule et créer les chemins de coulée, placer l entonoir et verser le métal Après refroidissement et solidification, détruire le moule et enlever la pièce. Couper les excédents et usiner les surfaces fonctionnelles de la pièce Source: C. Poli, Design for Manufacturing, a structured approach, BH, 2001 Moulage au sable: Applications Applications: Pièces larges, à épaisseur mince et pièces de prototypage Dépouille nécessaire. Approprié si la pièce doit avoir une dépouille Accepte tous les métaux coulables - Génère un mauvais fini de surface ( R a > 6 mm) - Grande variation dimensionelle = f(matériau) Al et Cu (±0.5 mm), fonte (± 1 à 1.5), aciers (± 1.3 à 2 mm) Moule moins cher. Source: C. Poli, Design for Manufacturing, a structured approach, BH,

5 Moulage à la cire perdue Lost wax investment Casting Modèle et moule non-permanents Création d une matrice métallique et injection du wax pour créer le modèle (Plus la géometrie de la pièce est complexe, plus les moules coûtent chers) Retirer le modèle et l attacher au chemin de coulée Source: C. Poli, Design for Manufacturing, a structured approach, BH, 2001 Moulage à la cire perdue Placer le modèle dans un contenant et l entourer de plâtre Chauffer le tout dans un four, le modèle en wax fond et s évapore Verser le métal fondu dans le moule. Retrait de la pièce et séparation des pièces Source: C. Poli, Design for Manufacturing, a structured approach, BH,

6 Moulage à la cire perdue- Applications Souvent utilisé pour des volumes de production inférieur à 10,000 et /ou cas des pièces en acier. Qualité des pièces Ra > 0.75 mm Tolérances alliages de cuivre et alliages de cuivre: ± 0.12 mm aciers et fontes : ± 0.25 mm Source: C. Poli, Design for Manufacturing, a structured approach, BH, 2001 Coulage en matrice Metal fondu injecté par pression dans le moule. La pièce refroidie et solidifieé est éjectée. Moule en acier, donc l acier ne peut pas être moulé. Version simplifiée du moulage en chambre froide cold chamber die casting Source: C. Poli, Design for Manufacturing, a structured approach, BH,

7 Alliages d aluminium de fonderie Al-Si (s 400); Al-Si-Mg et Al-Si-Cu (s.300) % Si de l ordre de 5 à 20% bonne coulabilité et bonne résistance à la corrosion + Mn : améliore la sensibilité aux traitements thermiques Al-Si-Cu ( 12.7 Si) : a faible: (pistons et culasses des moteurs à combustions) Lamelaire Al-Al 2 Cu Aciculaire Al-Si T f basse Globulaire Al-Si + Na Matériaux usuels: Alliages d aluminium Alliages d aluminium: ex A360 (3.5Cu, 8.5Si) Couramment utilisé Basse densité (2.8 g/cm 3 ) Bonne résistance à la corrosion Facile à mouler Bonne propriétés méca.: Re = 170 MPa, E =120 GPa Bonne stabilité dimensionnelle Faible ductilité: A% = 2.5 % 14 7

8 Alliages d aluminium de fonderie Al-Cu ( série 200) mauvaise coulabilité (améliorer avec Si) Al-Mg (s. 500) Excellente résistance à la corrosion Coulabilité médiocre Al-Zn-Mg (s 700) Faible coulabilité (porosité) Auto-trempant: vieillissement naturel (1 à 2 mois) Alliages d aluminium de fonderie 8

9 Quelques exemples Audi, a été l'un des premiers constructeurs à lancer le concept de Space Frame tout aluminium alliant des nœuds moulés en aluminium soudés à des profilés et à des tôles en aluminium Structure Space Frame en aluminium d'audi avec de nombreux noeuds de liaison en aluminium injecté Source : Source: NADCA: North American Die Casting Association NADCA: Association Nord américaine de fonderie sous pression 17 Audit_space_frame Audi R8 au 2006 Paris Motor Show - Concept space frame (ASF) 18 9

10 Quelques exemples Source: NADCA: North American Die Casting Association NADCA: Association Nord américaine de fonderie sous pression 19 Grosse pièce en aluminium Marche d'escalator (plus grosse pièce fabriquée) Presses de 1500 à 2000 tailles selon taille marche Pas de concurrence d'autres process Marches d'escalator (Al Si9Cu3) Source: NADCA: North American Die Casting Association NADCA: Association Nord américaine de fonderie sous pression 20 10

11 Autres applications Piston aluminium avec revêtement anti-usure CVD DLC trois couches 3 μm au total: Ti + SiDLC + DLC. Basse rugosité et l adhésion exceptionnelle les pertes par frottement représentent la principale partie de la consommation d énergie développée dans un moteur à combustion interne (de 15 à 20%). Les frottements de la jupe de piston, de la segmentation et paliers constituent 66% des pertes totales de frottement. Source : Trametal.com 29/01/2009 Source: NADCA: North American Die Casting Association NADCA: Association Nord américaine de fonderie sous pression MEC Matériaux usuels: Magnésium Métal ultra léger Très faible densité 1.7 g/cm3 (2.7 g/cm3 pour l'aluminium) Capacité à produire des pièces minces Abondance (l'eau de mer contient 0.13 % de Mg Désignations: AZ et AM A Aluminum; E - Rare Earth M Manganese; S Silicon; Z Zinc Ex. AZ91D, 9% Al + 1% zinc Bonne résistance à la corrosion Bonne coulabilité Bonne résistance technique pour des applications générales 22 11

12 Alliages de Magnésium 90% des pièces en magnésium réalisées en fonderie sous pression Alliages courament utilisés: AZ91HP (high purity); AM50 et AM60 Elément (%) Al Zn Mn AZ91HP AM AM Source: NADCA: North American Die Casting Association NADCA: Association Nord américaine de fonderie sous pression 23 Applications du magnésium: Structure de tableau de bord automobile Armature de volant automobile (en remplacement de l'aluminium) Vélo (fourche, pédalier, cadre,...) Siége de TGV Portable (industriel ou haut de gamme) Electronique divers (notebook, téléphone,...) MEC

13 Applications du Magnésium Pièce de fonderie en magnésium AM60 pour un hayon, coffre, de véhicule Ford Plus grande pièce en magnésium: Réalisée par le procédé de fonderie sous pression, Alliage: AM60 Remplace un assemblage de tôles emboutis en acier Dimensions:1380 x 1315 mm A permis d'alléger le sous ensemble et de gagner en Poids : 8.16 kg (18 lb) encombrement (15 mm) Source : Die Casting Engineer - Juillet 2010 Source: NADCA: North American Die Casting Association NADCA: Association Nord américaine de fonderie sous pression 25 Quelques applications de Magnésium Source: NADCA: North American Die Casting Association NADCA: Association Nord américaine de fonderie sous pression 26 13

14 Autres applications de Magnésium Colone de direction d auto en Magnesium Ford F-150 modèle 2009 plus légère que les modèles en acier ou en aluminium, simple et ne nécessitant pas d assemblage soudé ou boulonné avec le support inférieur Source : Revue Modern Casting (26/01/2009) Source: NADCA: North American Die Casting Association NADCA: Association Nord américaine de fonderie sous pression 27 Alliages de zinc coulés Tf faible : 420 C ( Zn non allié) 380 C ( alliages de fonderie: Zn-Al-Mg, Zn-Al-Cu-Mg) Bonne coulabilité (Pièces minces, précision) Utilisation : galvanisation des aciers métallisation fabrication des peintures riches en zinc. électroménager (robinetterie) 14

15 Matériaux usuels: Zinc-aluminium Alliages de zinc-aluminium: ZA27 (27%Al, 2.2% Cu, Mg) alliages à 8-27% Al Pièces minces Tf = 380 C. Similaire au cas des alliages de zinc Nécessite coulage à chambre froide comme Al exception de ZA8 qui contient 8% Al. 29 Exemples de pièces en zinc: Agriculture Source : NADCA 30 15

16 Exemples de pièces en zinc coulées Avantages du zinc en fonderie sous pression : précision dimensionnelle, revêtement de surface, résistance mécanique importante, grande série économique Zinc en fonderie: 35% automobile; 25% bâtiment; 20% electricité/electronique Bielle de fermeture de porte latérale (806) Moto réducteur pour réglage du siège de passager Tête d'extincteur Boîtier de connexion électronique Source: NADCA: North American Die Casting Association NADCA: Association Nord américaine de fonderie sous pression Noeuds de liaison de profilés pour le bâtiment 31 Pièces en alliage de zinc allégé La société allemande HZD (Havelländische Zinc-Druckguss Gmbh) a développé le procédé innovant Zincopor qui permet d'alléger de 30 % à 50 % les pièces en zinc en fonderie sous pression gràce à un maximum de porosités réparties uniformément dans la pièce. Source: NADCA: North American Die Casting Association NADCA: Association Nord américaine de fonderie sous pression Source :

17 Matériaux usuels: propriétés (MPa) (GPa) Source: Boothroyd et al., Product design for Manufacture & Assembly, Dekker, Températures de coulage en fonction des matériaux Ti T. injection T l T. liquidus Tm T. matrice Te T. éjection Source: Boothroyd et al., Product design for Manufacture & Assembly, Dekker,

18 Système d injection - chambre chaude Pour les alliages à basse température de fusion Zinc: 387 C Si on utilise les alliages à haute température de fusion, ils vont corroder le système d injection. Exception de Az91 inert par rapport aux composants ferreux de la machine Source: Boothroyd et al., Product design for Manufacture & Assembly, Dekker,

19 Système d injection - chambre froide Pour les alliages à haute température de fusion Al (A360) : 585 C Cu: 927 C Zinc-Al : ZA : 432 C Mg : 610 C Source: Boothroyd et al., Product design for Manufacture & Assembly, Dekker,

20 Set de matrices Source: Boothroyd et al., Product design for Manufacture & Assembly, Dekker,

21 Exemple de pièce moulée - chambre chaude Qualité des pièces (Die casting) Ra > 1 mm Tolérances : ± 0.12 mm Source: Boothroyd et al., Product design for Manufacture & Assembly, Dekker, Guides de conception Coulage = procédé dans lequel: - le matériau en fusion s écoule et remplit les cavités du moule (Assurer un bon écoulement pour que le remplissage soit uniforme) - il y a éjection de la pièce du moule (choisir la géométrie, le plan de séparation des moules et la direction de fermeture des moules de façon à simplifier l éjection) - il y a refroidissement et solidification (Pièces avec épaisseurs uniformes et minces pour réduire le temps de refroidissement) 42 21

22 Règles de base Prévoir une façon d entrée uniforme de métal fondu et d échappement des gaz. Prévoir un dégagement uniforme de chaleur Prévoir un moyen d éjecter la pièce. Placer la ligne de joint dans un seul plan, si possible

23 Guides de conception Coulage = procédé dans lequel: - le matériau en fusion s écoule et remplit les cavités du moule (Assurer un bon écoulement pour que le remplissage soit uniforme) - il y a ejection de la pièce du moule (choisir la géometrie, le plan de séparation des moules et la direction de fermeture des moules de façon à simplifier l éjection) - il y a refroidissement et solidification (Pièces avec épaisseurs uniformes et minces pour réduire le temps de refroidissement) Ligne de séparation et direction de fermeture des moules 46 23

24 Détails de conception Pour une pièce «Die Casting» porter une attention particulière aux détails : Dépouille (Draft) Fillets Ligne de joint (Parting line) Bosses Ribs Trous et fenêtres 47 Dépouilles 48 24

25 Uniformiser les épaisseurs 49 Tf ( C) Vie des matrices Alliages Vie des matrices (pièces) Températures de travail ( C) Injection matrice Zinc 500, Zinc aluminium ZA 100, Aluminium 100, Magnésium 180, Cuivre 15, Vie matrices = f T de moulage taille des moules épaisseur de la pièce complexité de la pièce Source: Boothroyd et al., Product design for Manufacture & Assembly, Dekker,

26 Spec. des machines-chambre chaude Les machines classées par tonnage (force de serrage) Les machines ont tendance à s ouvrir sous l action des pressions d injection (15-35 Mpa) Source: Boothroyd et al., Product design for Manufacture & Assembly, Dekker, Spec. des machines - chambre froide Pression d injection = 20 à 70 MPa Source: Boothroyd et al., Product design for Manufacture & Assembly, Dekker,

27 Choix des machines C r = k 1 + m 1 F k1 m1 C r C. chaude C. froide F: X 10 6 N Source: Boothroyd et al., Product design for Manufacture & Assembly, Dekker, Nombre optimal de cavités n N( ktd C rttp) 0.7( ) Cd Ct n: Nombre de cavité optimale (arrondi). N: Volume de production. k=55.4 $/h chambre chaude, k=62 $/h chambre froide. t d : Temps de moulage pour une matrice individuelle [s]. t p : Temps de séparation d une pièce pour une matrice individuelle (Trimming time) [s]. C d : Coût d une matrice individuelle [$]. C t : Coût de séparation pour une matrice individuelle [$]. C rt : taux horaire de séparation pour une matrice individuelle [$]

28 Exemple Pour une matrice de moulage d aluminium (A380) on dispose des données suivantes 20 s pour le temps de moulage pour une matrice individuelle 7 s pour le temps de séparation d une pièce pour une matrice individuelle $ Coût d une matrice individuelle $ Coût de séparation pour une matrice individuelle Déterminer le nombre de cavités optimales pour un volume de production de , et unités. Taux horaire de séparation 35$/h. 55 Détermination de la taille des machines Taille de la machine 1. Force de serrage 2. Volume de coulée 3. Course 4. Dimensions de la table MEC

29 1- Force de serrage: F F doit être supérieure à la force qui tend à séparer les moules F>f f [kn] est fonction de: pression du métal p m [MPa], aire de la cavité A pt cm 2 Avec A pt =1.75 A pc où A pc est l aire de la cavité La pression pm est estimée à partir du tableau 10.6 f p A m pt Volume de coulée: Vs 3- course nécessaire: Ls Vs le volume nécessaire pour une coulée Vc Volume des cavités. h épaisseur moyenne de la pièce [mm] Vs Vc( 1 2/ h) Ls 2D 12[cm] Ls course nécessaire D : la profondeur de la pièce en cm 58 29

30 Exemple Une pièce de longueur 20 cm, de largeur 15 cm et de profondeur 10 cm. L épaisseur moyenne est de 5 mm, le volume de la pièce est 500 cc. La pièce est obtenue par Die casting à partir de A-360. Une matrice à double cavité est utilisée Proposer l arrangement de la matrice. Choisir la machine appropriée. MEC Compagnies Canadiennes *Canada Metal (Pacific) Limited Delta BC Canada *Cottam Diecasting Ltd Tecumseh ON Canada *FisherCast Limited - A Division of Dynacast Peterborough ON Canada *Georg Fischer Inc Montréal QC Canada *Lyster Industries Incorporated Lyster QC Canada *Meridian Lightweight Technologies Inc Strathroy ON Canada *Meridian Technologies Incorporated Strathroy ON Canada *Simalex Manufacturing Company Limited Langley BC Canada MEC