Magazine Jeudi 20 décembre 2018 - 07:00

Les noyaux de fonderie d’hier et de demain

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La fabrication de noyaux de fonderie pour la production d’aubes de turbine est longue et fastidieuse. Les demandes plus exigeantes des clients rendent également le procédé de plus en plus complexe. La fabrication additive est plus qu’une réponse, elle est l’avenir de ce procédé. Explication­ !

Les noyaux de fonderie sont essentiels dans la production d’aubes de turbine pour les moteurs à combustion. Ils servent à créer les canaux intérieurs des aubes, formes permettant le transport d'air de refroidissement lorsque le moteur est en marche. Plus ces canaux sont de formes complexes et meilleur est le rendement des aubes , d'où une réduction de la consommation de carburant ainsi que les émissions de carbone. Les compagnies aériennes demandant des moteurs toujours plus petits, plus performants et moins coûteux, les formes des noyaux sont de plus en plus complexes. Une problématique que la fabrication additive peut aisément résoudre.

La fabrication de noyaux de plus en plus complexe

Au cours de la production d’aubes de turbine, la fabrication de noyaux est une étape essentielle. Le noyau céramique est le moule négatif autour duquel l’alliage sera fondu. Jusqu’à maintenant, la conception de ce noyau était un procédé long, comprenant de nombreuses étapes, et fastidieux­: long, car il faut concevoir des moules pour les nouvelles formes de noyaux, et fastidieux, car la méthode traditionnelle consistait pour les plus complexes, à fabriquer de nombreuses pièces qui étaient ensuite assemblées afin de former le noyau. Tout au long du processus de production, des risques d’échec nécessitant de recommencer entièrement le processus pouvaient survenir, l’étape la plus sensible étant celle de l’assemblage des différentes pièces. Le taux de réussite de fabrication des pièces finies pouvait, par conséquent, être très faible. Pour résoudre ces problèmes et répondre au mieux aux besoins de ses clients, la société 3DCeram-Sinto a développé un procédé de production de noyaux de fonderie en céramique pour les aubes de turbines.

Différents types de moules

Avant d’aborder les avantages de la fabrication additive, il est important d’expliquer les différents types de fabrication. Il existe trois types de coulage­: le coulage Equiax, le coulage par solidification dirigée et le coulage d’alliage de monocristaux. Ces trois méthodes sont utilisées dans la production traditionnelle de noyaux.

• Le coulage Equiax est la méthode la moins chère et la plus rapide. Les parois du moule sont chauffées à une température juste inférieure à celle de la solidification du métal. Lorsque le métal est fondu, il se stabilise très rapidement, créant des polycristaux de mêmes tailles sur la pièce.

• Le coulage par solidification dirigée (SD) est basé sur le concept du coulage Equiax. Bien que les parois ne soient pas uniformément chauffées, un gradient de température d’élevé à bas est maintenu sur la paroi durant la fonte de l’alliage sur le noyau. Cela équivaut à une microstructure de longs cristaux disposés à la forme d’une aube, renforçant la résistance dans son mouvement.

• Le coulage d’alliage de monocristaux est similaire à la méthode SD, mais ne sera constitué que d'un cristal. L'aube sera mécaniquement plus résistante dans toutes les directions.

Plusieurs contraintes s’appliquent à la production d’un noyau. Les tolérances dimensionnelles, la résistance structurelle, la dureté de la surface et la porosité du matériau sont autant d’éléments qui peuvent être contrôlés grâce à la production des noyaux par fabrication additive. 

Fabrication additive et noyaux de fonderie

Le premier avantage de la fabrication additive pour la production de noyaux est l’augmentation de la productivité. Sur une plate-forme de travail de 300 mm x 300 mm x 100 mm, il est possible de concevoir 16 noyaux de 90 mm x 35 mm x 15 mm sur des supports, en à peu près 35 heures. Cette méthode permet de diminuer le temps de fabrication, mais elle augmente également le coût du noyau unitaire. Un deuxième essai a été réalisé avec un nouveau système breveté «­Stripping Support », avec lequel les noyaux sont fabriqués à la verticale. Avec ce système permettant de supporter les noyaux entre eux durant l’impression, 60 noyaux ont été conçus en à peu près 140 heures.

La fabrication additive apporte une nouvelle dimension au procédé traditionnel. En plus de faire gagner du temps et d’augmenter la productivité, la technologique additive offre plusieurs avantages­ :

• la flexibilité du design­ ;

• la possibilité d’augmenter la complexité des noyaux ;

• la création rapide de nouveaux designs­ ;

• une amélioration de la réactivité et de la productivité ;

• l’augmentation des rendements­ ;

• le maintien des résistances mécaniques.

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Le matériau 3DMix

Le choix de la céramique utilisée pour la production de noyaux de fonderie est un élément capital du procédé de fabrication additive. Pour ce faire, il est important de prendre en compte différents paramètres­:

• le type d’alliage utilisé pour la fabrication du noyau ;

• la complexité du noyau ;

• l’absence de réactions chimiques entre le noyau et le métal pendant la fonte­ ;

• le fait que la céramique doit être soluble après la phase de fonte ;

• un CTE bas et une résistance mécanique relativement élevée .

En 2001, 3DCeram-Sinto a développé sa propre pâte pour l’imprimante 3D Ceramaker® 900. Depuis, la gamme de pâtes proposées, développées dans le but de garantir une qualité de produit équivalente aux méthodes traditionnelles, s’est élargie.

• L’alumine (AI203) est utilisée avec du nickel, du cobalt, du fer ou du titane, sous plusieurs formes de noyaux. Elle possède une très bonne résistance mécanique, mais peut entraîner des difficultés en termes de dissolution.

• La silice (Si02) est utilisée avec du nickel et de l’aluminium pour des noyaux complexes, au CTE élevé et ayant de basses propriétés mécaniques pour une haute température. Elle se dissout facilement à l’aide d’une solution chimique.

• L’alumine-silice (AL203-Si02) est utilisée avec la méthode de coulage Equiax. Du graphite est ajouté pour faciliter la dissolution du noyau. La présence d’alumine ralentit la cristallisation de la silice et réduit la résistance mécanique du noyau.

Il est également possible de développer des pâtes sur mesure en partant de la céramique du client, déjà certifiée ou qualifiée pour l'utilisation finale. Les utilisateurs peuvent alors choisir leur propre céramique tout en utilisant la technologie de fabrication additive. Le processus pour l’obtention d’une nouvelle pâte pour les noyaux est le suivant­ :

1. définition des caractéristiques de la poudre client ;

2. test de réactivité de la pâte après mélange avec la résine ;

3. optimisation de la poudre et détermination des paramètres de la machine ;

4. analyse du post-process ;

5. fabrication de pièces références. 

3DCeram-Sinto a par exemple développé pour un de ses clients un matériau zircon-silice. Cette céramique poreuse, très stable à haute température, offre une haute résistance mécanique et peut être utilisée avec tous les alliages, sauf le cobalt­ ; il est cependant difficile de dissoudre le noyau, du fait de la présence du zircon.

Une technologie du futur

La production de noyaux de fonderie était jusqu’à aujourd’hui un marché relativement fermé et peu innovant. L’utilisation de la fabrication additive céramique permet de l’optimiser et d’obtenir des bénéfices sur le long terme pour les clients. D’après une analyse sur dix ans de SmarTech Markets Publishing, l’avenir de la fabrication additive de céramiques techniques et de noyaux est prometteur.

L’industrie de l’impression 3D de moules céramiques et de noyaux de fonderie devrait représenter la plus grande source de revenus de la décennie 2017-2027, ce qui devrait encourager le passage de la R&D à la production de céramiques techniques. Sur cette période et toujours selon les estimations de SmarTech Markets, les revenus dans ce secteur devraient augmenter de 8 millions à 1,1 milliard de dollars.

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