Dans nos métiers, le but des simulations numériques est de permettre de valider la faisabilité d’une pièce, d’augmenter la qualité de remplissage (par exemple de minimiser les porosités), réduire le taux de rebut, d’optimiser le cout de production, d’allonger la durée de vie des outillages.
Ces dernières années, l’augmentation de la puissance de calcul des ordinateurs et la simplification des interfaces logiciels ont permis une plus grande démocratisation de leurs utilisations. Les résultats sont plus facilement exploitables pour modifier la conception des pièces et des outillages.
Deux méthodes de simulation existent : le calcul par éléments finis ou par volumes finis .
En théorie, le calcul par éléments finis est mathématiquement plus précis car la structure du maillage suit exactement la forme de la pièce alors que l’autre mode converti la forme en une multitude de cubes. Le choix de la taille des cubes rend la simulation plus ou moins précise. Le logiciel calcule les paramètres de simulation demandés : pression, température, remplissage, vitesse et autres données physiques de chaque cube, qui les transmettra à son tour aux cubes voisins.
Par contre, le temps de traitement est plus faible pour les simulations par volumes finis, ce qui un avantage quand une étude nécessite plusieurs simulations successives avant de trouver la bonne solution.
En fonderie sous-pression, les simulations peuvent se faire en trois étapes : le remplissage de la forme (pour contrôler que les alimentations sont biens conçues pour remplir naturellement la forme du moule), la solidification de la pièce (pour minimiser les porosités et retassures dans les zones critiques et vérifier que la troisième phase peut transmettre la pression au métal en fin de remplissage), et la répétition du cycle de multiple fois pour valider la stabilité des échanges thermique avec le moule en production (il faut contrôler que le circuit de refroidissement du moule est suffisant pour travailler en continu et pour réduire le temps de cycle).

Conception des alimentations pour les moules

En fonderie sous-pression le métal est mis dans une chambre de compression (container ou gosseneck) et est pousser par un piston (comme une seringue) dans des canaux (alimentations / runner) jusqu’aux entrées de la pièce (attaques) pour enfin remplir l’empreinte de la pièce.

Les trois phases d’injection sous-pression :

Phase 1 : le métal est amené lentement aux portes de chaque pièce (temps entre 1 et 4 secondes)

Phase 2 : le métal est injecté rapidement et remplit la cavité de la pièce et des talons de lavage (temps entre 10 et 200 ms)

Phase 3 : le métal est compressé avec la haute pression (pression entre 400 et 1000 bar)

Cheminement du raisonnement de conception du système de conception des alimentations.

On part d’abord des caractéristiques propres de la pièce.
1) Le volume de la pièce seule que l’on doit réaliser auquel on rajoute le volume des talons de lavage qui vont permettre une bonne santé de la pièce et la sortie de l’air (évents) qui est dans le moule avant l’arrivée du métal.
2) L’épaisseur mini de la pièce qui définit le temps de remplissage qui est d’autant plus court que la pièce est fines. Par exemple, le temps de remplissage d’une pièce d’épaisseur mini de 2mm est entre 20 et 60 ms.
3) Suivant le type d’attaque avec ou sans de changement de direction au moment de la pénétration dans l’empreinte, nous aurons une estimation de la vitesse du métal à l’attaque (qui est de l’ordre de 40 ms soit 144km/h).
4) Le volume à injecter, le temps de remplissage, et la vitesse d’attaque permettent de calculer la section d’attaque (Sa surface de la porte d’entrée que le métal utilisera pour remplir la forme de la pièce).
5) On dessine les alimentations entre les attaques de chaque empreinte (moule multi empreintes) jusqu’à un bras unique qui est relié à la chambre de compression. On minimise les changements de direction des trajectoires pour limiter les phénomènes de cavitation en respectant la règle des cumuls des sections à chaque unification de bras (il faut garantir la surpression).
6) On peut maintenant calculer le poids de la grappe complète et vérifier que la vitesse du piston calculée est compatible avec les caractéristiques de la machine.
7) On choisit le diamètre du piston avec le taux de remplissage du métal dans le container. On en déduit le volume d’air qui sera emprisonné dans la chambre de compression avec le métal.
8) On connait ainsi le volume total d’air (container + alimentation + pièces + talons de lavage) qu’il faudra évacuer pour ne pas retrouver cet air emprisonné dans des porosités sous pression dans la pièce (humour de fondeur car il y a toujours des porosités dans une pièce de sous-pression). Ainsi, on calcule la surface des ouvertures des tirages d’air pour un moule sans système de sous-vide avec une vitesse de fuite de l’air de 200 m/s.
9) Quand cela est nécessaire une simulation informatique de remplissage permettra de vérifier que le métal est au porte de chaque pièce au même moment.
10) Une fois les alimentations validées, le volume du métal en fusion injecté nous donne la quantité de chaleur qu’il faut évacuer par le système de thermorégulation et les autres techniques.

Les règles de tracé ont pour but final de permettre la réalisation d’une pièce répondant au cahier des charges avec un prix minimum. L’optimisation du prix est directement liée à la qualité de la conception en accord avec la technologie finale utilisée: fonderie ou matriçage. Nous sommes à la fois fondeur et matriceur et prêts à vous aider à faire une bonne conception des formes. Plus notre assistance à la conception est précoce dans votre projet, plus l’efficacité sera grande.

Dans le cadre de la conception de pièce de fonderie, voici les défauts des pièces moulées que l’on désire éviter : porosités, retassures, criques, piqûres et soufflures.

Pour maximiser la santé matière et la résistance globale de la pièce, l'épaisseur de la pièce doit être le plus constante possible. Vous aurez à alléger des parties massives, bien raccorder les passage aux épaisseurs différentes, limiter les tensions et zones de fissuration de la pièce qui pourraient apparaitre avec la fatigue mécanique.

Enfin, vous métrez en place les renforcements pour garantir la résistance de la pièce dans les zones importantes et les surépaisseurs d'usinage si cela est nécessaire.

Nous avions déjà fait notre propre descriptif des règles de tracé des pièces de fonderie, mais nous avons trouvé un document plus complet que nous vous proposons avec son autorisation réalisé par M François Mollet. L’auteur qui est un fin connaisseur des tracés de formes… a réalisé une autre version croustillante que nous vous proposons pour motiver les troupes de votre bureau d’études.