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Comment les moules imprimés en 3D s’empilent-ils par rapport aux moules de moulage au sable traditionnels? – ImpressionEn3D.com

Les alliages d’aluminium présentent une faible densité, ainsi qu’une bonne résistance à la corrosion et des propriétés mécaniques, c’est pourquoi leur moulage est une technique de fabrication souvent utilisée. Mais les défauts des pièces moulées sont toujours un problème. Une équipe de chercheurs de l’Université de León a publié un article sur leurs travaux effectuant une analyse comparative entre la production de pièces en aluminium à l’aide d’un moule imprimé en 3D et la méthode traditionnelle de moulage au sable.

Dans le moulage au sable, les moules sont créés en compactant du sable autour d’un motif dans une boîte à moules; puis, le motif est retiré et une cavité dans sa forme est laissée. Le métal fondu est ensuite versé dans la cavité pour produire des composants. Réduire la porosité, améliorer la microstructure et contrôler la qualité dimensionnelle et les défauts sont les trois problèmes les plus courants dans le moulage, mais l’utilisation d’un moule correctement conçu peut aider.

«Le coût de fabrication d’un moule à géométrie complexe est l’une des principales limites de son développement. Cependant, la FA permet la modélisation de conceptions complexes, évitant cette limitation », ont expliqué les chercheurs.

L’impression 3D céramique, basée sur le jet de liant, est «la plus adaptée à la fabrication de noyaux et d’inserts» pour les moules. Mais la plupart des recherches ne se sont concentrées que sur des paramètres spécifiques, c’est pourquoi cette équipe s’est concentrée sur la faisabilité d’imprimer en 3D un moule en céramique, puis l’a comparée à un moule fabriqué avec un moulage au sable traditionnel.

«Pour prouver l’utilité de cette technologie moderne, deux moules différents pour la coulée ont été réalisés: le premier a été fabriqué comme un moulage au sable traditionnel et le second a été fabriqué selon la technique 3DP. Une fois les moules fabriqués, de l’aluminium y était coulé. Ensuite, nous avons analysé le temps de fabrication, la vitesse de refroidissement, l’écart dimensionnel, la qualité de la surface, la porosité de la surface et les éventuels défauts, en comparant les deux techniques », ont-ils écrit. «Avec cette analyse, nous avons cherché à déterminer si la technique 3DP était applicable à la coulée d’aluminium, permettant des conceptions plus efficaces et réduisant le coût de production.»

Ils ont utilisé un alliage de coulée de la série AlSi pour concevoir la pièce, puis ont conçu et calculé le système de remplissage (carotte, puits, coulisseau, portes et colonne montante) pour les moules. Pour étudier le comportement de l’écoulement en fusion afin d’optimiser le système de remplissage, l’analyse par éléments finis (FEA) a été utilisée pour simuler le remplissage et la solidification des pièces pendant la coulée, ainsi que la turbulence générée et la distribution de l’entraînement de gaz dans le liquide. L’équipe a utilisé le logiciel CATIA v5 r21 pour dessiner un modèle 3D de la pièce et des deux moules, et les moules ont ensuite été fabriqués.

«Pour fabriquer le moule de moulage en sable, un motif divisé a été réalisé par la technique de modélisation par dépôt fondu (FDM) avec la machine Ultimaker 2+», a expliqué l’équipe. «Le modèle contenait la pièce et le système de remplissage.»

Un projet CJP 660Pro de 3D Systems a été utilisé pour fabriquer le moule en céramique à l’aide de la technologie jet d’encre. L’alliage d’aluminium a été coulé, le processus de fusion a eu lieu et ils ont mesuré la température du moule «par un couple thermique de type K localisé à 2 mm de la cavité du moule».

«Pour obtenir une coulée adéquate pour le moulage au sable, il était nécessaire de fixer les moitiés des moules. Pour la technique 3DP, il était nécessaire de poser le moule sur une base de sable pour éviter tout mouvement lors de la coulée. Par la suite, le métal a été versé dans les différents moules », ont écrit les chercheurs.

«Enfin, l’alliage d’aluminium a été solidifié et la pièce moulée a été extraite des deux moules par vibration et émiettement. Les systèmes de remplissage ont été coupés et les pièces ont été nettoyées à l’air sous pression pour commencer la phase d’analyse.

Ils ont comparé la qualité dimensionnelle, la rugosité, la porosité et les défauts généraux, en utilisant un scanner de lumière structurelle Breuckmann Smart SCAN3D-HE pour les analyser en premier, et en traitant les nuages ​​de points avec le logiciel Geomagic Control X. Un profilomètre a mesuré la rugosité de surface, et les pièces moulées ont été sectionnées et polies avec une pâte diamantée de 3 µm, puis photographiées par une caméra Leica Kl 1500, pour évaluer la porosité interne. Le logiciel ImageJ des National Institutes of Health (NIH) a été utilisé pour analyser les images.

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Les règles de conception standard ont été suivies pour créer le moule en sable, qui comprend une coupelle de versement et une carotte conique qui se termine dans un puits. Mais, en raison de la liberté de conception qu’apporte l’impression 3D, cette pièce n’avait pas besoin d’une géométrie ronde pour «éviter les angles de dépouille» et «obtenir un retrait correct du motif» sans endommager le moule. De plus, l’impression 3D a permis aux chercheurs «d’optimiser le système de remplissage» dans le moule.

«Deux portes cylindriques étaient connectées à la cavité de la pièce», ont-ils écrit. «Grâce à cette amélioration, il a été possible d’éliminer le puits et de diminuer les dimensions du système de remplissage, comme le montre la figure 2c. Le volume total du moule 3DP était de 449 cm3, le rendement métallique était de 49,75% et le poids du moule était de 0,55 kg. Par rapport au moulage au sable, le rendement métallique a été optimisé de 29% et le poids du moule a été inférieur de 95%. »

Pour éviter les turbulences métalliques, les films d’oxyde et l’entraînement de gaz, ils ont dû tenir compte de la vitesse de déclenchement, qui ne devrait pas être supérieure à 0,5 m / s pendant le remplissage. Ils ont constaté qu’avec le moule en sable, la vitesse dans la porte augmentait rapidement une fois que le métal liquide était entré dans la cavité de la pièce, ce qui, en raison de l’effet de fontaine, provoquait une turbulence importante. Mais, avec le moule imprimé en 3D, le processus de remplissage était homogène et la vitesse de la porte restait constante, car ils avaient pu ajouter une colonne montante ouverte à la conception.

Un logiciel a été utilisé pour mesurer la vitesse de déclenchement à la section transversale de la zone d’entrée pendant le remplissage des deux moules, et vous pouvez voir les vitesses variables au centre de l’entrée dans la figure ci-dessous.

Le processus s’est déroulé en quatre étapes:

  1. Une vitesse d’entrée élevée générée pour les deux techniques, atteignant jusqu’à 1,10 m / s en coulée au sable et 0,55 m / s en coulée 3DP
  2. La vitesse a diminué et est restée constante pendant la majeure partie du processus de remplissage à environ 0,90 m / s dans le moulage au sable et autour de 0,48 m / s dans la coulée 3DP
  3. La vitesse a continué à diminuer à 0,63 m / s dans le moulage au sable, mais est restée constante dans la coulée 3DP
  4. La vitesse est restée constante pour les deux techniques par rapport aux valeurs précédentes, mais a fortement diminué lors de l’achèvement du processus de remplissage

En raison des vitesses élevées dans les moules pendant le remplissage, une érosion pourrait se produire, entraînant l’arrachage des zones touchées. Il y a une probabilité plus élevée d’érosion pour le moulage au sable en raison de l’effet de fontaine, mais cela diminue avec le moule 3DP, car le profil de vitesse est plus facilement contrôlé.

La pièce se solidifie ensuite une fois les moules remplis. Pendant le remplissage, la température du moule a augmenté, puis a baissé pendant la solidification.

«La température de moulage au sable est restée uniforme dans la cavité de la pièce à environ 710 ◦C», a déclaré l’équipe. «Cependant, la température du moule 3DP était d’environ 675 ◦C. Une vitesse de refroidissement plus faible a été obtenue dans le moule en sable en raison de la faible conductivité thermique du sable et de la plus grande épaisseur du moule. En revanche, l’épaisseur inférieure et la conductivité thermique plus élevée du moule 3DP ont facilité l’écoulement de la chaleur. »

Il a fallu 5,24 secondes pour remplir le moule de moulage au sable et 541 secondes pour solidifier la pièce, contre seulement 2,20 secondes de remplissage et 378 secondes pour la solidification avec la version imprimée en 3D.

«Un temps de solidification inférieur signifie un taux de refroidissement plus rapide, ce qui se traduit par une productivité plus élevée et de meilleures propriétés mécaniques des pièces moulées», ont-ils expliqué.

De plus, il n’a fallu que dix heures pour fabriquer le moule imprimé en 3D, tandis que celui du moulage au sable a pris près de 24 heures, car ils devaient créer un motif en deux parties et lisser sa surface.

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La rugosité de la pièce réalisée avec le moule de moulage au sable avait une valeur moyenne de Ra = 3,70 µm dans le sens de construction de la couche et Ra = 4,53 µm dans le sens opposé, mais alors que la rugosité était encore plus faible dans le sens de construction de la couche sur la pièce imprimée en 3D. , c’était Ra = 7,07 µm dans la direction opposée, en raison de l’effet d’escalier que l’on voit souvent dans l’impression 3D.

« En ce qui concerne la précision dimensionnelle, alors que l’effet d’escalier dans la surface du moule 3DP est l’aspect le plus critique à contrôler, dans le moule de moulage au sable, l’aspect critique est la précision dimensionnelle du modèle », ont écrit les chercheurs.

Lors de l’analyse de la qualité dimensionnelle, les pièces ont été scannées et Geomagic Control X a de nouveau été utilisé pour traiter les nuages ​​de points. Il y avait un écart moyen de 0,76 mm entre la pièce et le motif pour le moulage au sable, mais -0,43 mm pour l’impression 3D, ce qui montre que «la technique de moulage 3DP peut fabriquer une pièce plus précise que le moulage au sable.

Enfin, les chercheurs ont réalisé une coupe longitudinale dans les pièces afin d’analyser ce qui avait provoqué le piégeage de gaz et les porosités du bifilm dans les pièces moulées.

«Les microstructures de la section transversale des pièces moulées ont montré des formes pliées et une entrée d’air dans le moulage au sable, ce qui pourrait être produit par la forte turbulence et le film d’oxyde présent dans la masse fondue pendant le processus de remplissage», a expliqué l’équipe. «En revanche, la porosité retrouvée dans les pièces réalisées avec le moule 3DP correspond au retrait; pendant le processus de remplissage, le liant restant est vaporisé, créant des points de nucléation. De cette manière, les pores sont formés par retrait et un mélange de retrait et de piégeage de gaz. »

Les défauts de surface n’ont été repérés que sur la pièce réalisée avec le moule de moulage au sable, et l’un d’eux était le sable lui-même.

«Les zones de sable ont été arrachées par le courant de métal, ont flotté à la surface, puis ont été piégées par le métal en fusion. La cause principale de ce défaut a été attribuée à un compactage irrégulier du moule ou à une vitesse élevée du liquide capable d’endommager le moule », ont-ils écrit.

Les chercheurs ont conclu que l’utilisation de l’impression 3D pour fabriquer des moules de moulage en aluminium était faisable et «adéquate» comme alternative au moulage au sable, car elle réduit considérablement le temps et permet la création de géométries plus complexes.

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