Cet article traite en détail du moulage sous pression de l'aluminium. Découvrez les principales applications de cette technique, ainsi qu'un aperçu du processus, des types d'alliages, des considérations de conception, des défis, etc.

Qu'est-ce que le moulage sous pression de l'aluminium ?

Le moulage sous pression de l'aluminium utilise une pression élevée (100-1000 bars) lors de l'introduction de l'aluminium fondu dans les matrices. Ces matrices sont généralement fabriquées en acier et peuvent être réutilisées.

Le remplissage du moule dépend de la fluidité du métal en fusion. La forme liquide optimale remplit le moule instantanément (en quelques secondes). Ce matériau prend la forme réelle de la pièce tout en refroidissant. Par exemple, les blocs moteurs de voitures, les cadres de smartphones ou les composants de drones.

Ce processus de fabrication est optimal pour produire plus de 10 000 produits identiques rapidement et à moindre coût.

Physique du processus

Haute pression (100-1000 bar) :

Plus la pression est élevée, plus elle répartit uniformément l'aluminium à l'intérieur de la matrice, en remplissant ses moindres interstices. Cette pression élimine l'apparition de bulles et maintient une transition lisse dans les surfaces. Par exemple, 500 bars peuvent remplir la matrice en seulement 0,02 seconde.

Refroidissement rapide (500-1000°C par seconde) :

L'aluminium refroidit 100 fois plus vite en HPDC qu'en moulage au sable, prenant ainsi la forme d'un produit réel. C'est ce que permet la vitesse de refroidissement : créer une microstructure dense avec un grain de cristal fin (0,01 mm). Cela leur donne 20-30% plus de résistance que ceux fabriqués par des options plus lentes.

Types de machines de moulage sous pression

Machines à chambre chaude :

Les machines à chambre chaude utilisent principalement des métaux dont le point de fusion est plus bas, comme le zinc (420°C). En effet, elles ne peuvent pas traiter les alliages ayant un point de fusion élevé, comme l'aluminium (660 °C). Même si vous pouvez encore couler de l'aluminium dans une machine à chambre chaude, vous risquez d'endommager l'équipement.

Machines à chambre froide :

Les machines à chambre froide fonctionnent bien avec les métaux à température modérée comme l'aluminium. Dans ce processus, les fondeurs préparent la forme fondue de l'alliage. Ils le chargent dans le piston pour injecter le matériau dans la matrice sous une pression pouvant aller jusqu'à 1000 bars. Cette technique est plus longue (durée du cycle : 30 à 60 secondes), mais elle est beaucoup plus sûre pour les matériaux résistants.

Adéquation avec les alliages d'aluminium

Les alliages d'aluminium appropriés comprennent l'A380 (aluminium 85%, silicium 8%) et l'A383 (aluminium 84%, silicium 10,5%). Ces alliages peuvent supporter des pressions élevées et éviter de se fissurer pendant le refroidissement. Par exemple, le métal A380 remplit le moule en douceur, créant une paroi fine d'une épaisseur de 1 mm.

Comparaison des techniques de moulage sous pression

Détails clés sur le moulage sous pression

• La vitesse de production d'une seule machine HPDC peut atteindre 100 à 200 heures.
• Les installations initiales coûtent entre 50 000 et 1 million d'euros. Toutefois, le coût unitaire est réduit jusqu'à $0,50 pour les grosses commandes de plus de 50 000 unités.
• Vous pouvez percer des trous aussi petits que 1,5 mm.
• Ce procédé permet de fabriquer des pièces dont les parois ne dépassent pas 0,8 mm d'épaisseur.
• L'utilisation de l'acier permet d'augmenter sa durabilité à environ 50 000-500 000 cycles.

Le processus de moulage sous pression de l'aluminium

1. Conception et fabrication d'outils

Conception de la matrice :

La conception des matrices contient la forme quasi-nette du produit à fabriquer. Sa principale fonction est de convertir l'aluminium fondu en ces formes. Cela signifie que les perfectionnements de la conception (dimensions, épaisseur, etc.) vous permettent d'obtenir des pièces de qualité supérieure.

Systèmes de vannes

Les canaux d'injection sont les voies d'écoulement de l'aluminium fondu vers la filière. Ils ont généralement une largeur de 3 à 8 mm. Afin de réguler la vitesse d'écoulement du métal (1-5 m/s), ils évitent les turbulences et le piégeage de l'air.

Conception du coureur :

Les systèmes à patins distribuent ou étalent le métal de manière uniforme à l'intérieur de la matrice. Leur épaisseur varie de 5 à 15 mm. Ils permettent également de réduire les incohérences en cas d'évitement de la mauvaise forme.

Ventilation :

De petits évents, d'une largeur de 0,1 à 0,3 mm, sont montés sur la machine. Ils permettent d'évacuer l'air emprisonné afin de réduire les défauts tels que la porosité et les poches d'air.

Canaux de refroidissement :

Les canaux de refroidissement ressemblent à des tubes. Ils acheminent l'eau de coulée sous pression à raison de 10 à 20 litres par minute. Leurs systèmes maintiennent les températures entre 200 et 300°C pour préparer les pièces à l'éjection. Ce maintien de la température est important pour éviter la surchauffe et obtenir des structures uniformes.

Matériaux de la matrice :

L'acier H13 couramment utilisé offre une dureté de 45 à 50 HRC. De plus, ce métal possède déjà des propriétés naturelles de haute résistance et de résistance à l'usure. Il peut ainsi résister à 50 000-500 000 cycles de coulée.

Logiciel de simulation :

Des outils comme AutoCAST sont utiles dans le processus HPDC, car ils permettent de prévoir les défaillances de l'outil à un stade précoce. Il est possible d'optimiser le flux de métal et de mieux placer le canal d'entrée. Il est ainsi possible de réduire les défauts jusqu'à 30% avant le début de la production.

Entretien des matrices :

Pour entretenir la filière, il est utile d'appliquer un spray lubrifiant tous les 5 à 10 cycles. Il empêche le métal de coller et permet une éjection en douceur.

2. Sélection et préparation des matériaux

Alliages d'aluminium :

Le plus important n'est pas seulement de choisir des alliages d'aluminium. Il dépend des exigences de moulage, qui influencent la résistance, la fluidité et l'adéquation de l'application.

• A380 : Il s'écoule facilement et offre une grande résistance. Les fabricants l'utilisent couramment dans les pièces automobiles.
• ADC12 : Ce métal convient parfaitement aux boîtiers électroniques et aux pièces à parois minces (1 à 2 mm d'épaisseur). Il s'écoule facilement et réduit les défauts. Il permet également de produire des pièces très précises.

Qualité de la fonte :

Logiquement, le maintien de la pureté de l'aluminium permet d'obtenir des pièces solides et sans défaut. C'est à cela que servent les fours de maintien. Ils maintiennent l'aluminium en fusion à une température de 660 à 700 °C, empêchant ainsi sa solidification. En outre, l'hydrogène piégé qui se trouve dans les fours de maintien est éliminé. dégazage L'utilisation de l'azote gazeux réduit la porosité de 90% et empêche la formation de vides internes.

3. Fusion et coulée

• Le fondoir est un four alimenté au gaz. Le fabricant l'utilise pour faire fondre des pastilles solides d'aluminium à des températures comprises entre 700 et 750 °C. Il garantit un état de fusion constant. Il garantit un état de fusion constant.
• Le four de maintien stocke l'aluminium en fusion. Ils les maintiennent en liquidité à des températures contrôlées jusqu'à ce que le cycle de production soit terminé.
• Les éléments du processus que sont les béliers et les manchons de grenaille poussent simplement le métal dans la cavité du moule à une vitesse de 4 à 10 m/s sous haute pression. Leur rôle est de remplir complètement le moule et de le compacter correctement.
• Les machines de moulage sous pression automatisent les systèmes mécaniques d'injection. Elles garantissent des résultats très détaillés et la répétabilité des pièces moulées.
• Les machines à chambre froide utilisent un piston. Il injecte le métal et effectue des cycles en 30 à 60 secondes pour une grande efficacité.

4. Injection et solidification

Première étape : Le matériau fondu remplit 80-90% de la cavité de la matrice. L'injection prend de 0,01 à 0,1 seconde. Veillez à ce que le matériau remplisse uniformément les espaces et atteigne tous les coins de la matrice.

Deuxième étape : Le fabricant applique une pression élevée (200-400 bars). Cela permet d'éliminer les fentes d'air et d'obtenir une qualité dense et une intégrité structurelle.

Refroidissement : L'eau de coulée sous pression ou l'air de refroidissement refroidit rapidement le métal injecté à une vitesse de 500-1000°C par seconde. Pendant ce temps, ils acquièrent efficacement une forte microstructure avec des grains fins (0,01-0,05 mm).

5. Ejection et post-traitement

Une fois la pièce solidifiée, les broches d'éjection permettent de retirer la pièce de la matrice en toute sécurité. Elles exercent une force de 5 à 20 tonnes.

Pendant ce temps, le bac de trempe utilise de l'eau pour refroidir rapidement les pièces coulées pendant 10 à 30 secondes. Ce processus supplémentaire permet d'éviter le gauchissement et d'améliorer les caractéristiques du matériau.

En outre, les machines de découpe utilisent une force de 20 à 50 tonnes pour couper les résidus métalliques (grilles, bavures). Elles vous aident à fabriquer des pièces de meilleure qualité.

Département de finition :

Les fabricants utilisent la technique de l'ébavurage pour éliminer les arêtes vives. Ces procédés permettent d'obtenir des surfaces lisses, avec une valeur de rugosité de Ra 1,6-3,2 µm.

Les trous et les caractéristiques précises que l'usinage permet d'obtenir créent des tolérances étroites (±0,05 mm). Le produit répond finalement à des spécifications particulières.

7. Gestion des déchets

Les fondeurs ont refondu ou réutilisé 5-10% de déchets d'aluminium. Le recyclage des déchets permet en effet de réduire les coûts des métaux bruts.

Les déchets provenant des lubrifiants et des résidus métalliques peuvent être traités dans le système de traitement des eaux usées. Ce traitement des boues et des huiles permet d'éliminer 95% de contaminants avant leur élimination.

En outre, les fabricants utilisent des épurateurs de gaz d'échappement. Leur tâche consiste à traiter les émissions en filtrant les gaz nocifs. Ces outils permettent d'obtenir un taux de réussite de 99% dans la réduction de la pollution de l'air.

Les ressources durables telles que les tours de refroidissement recyclent 80% de l'eau utilisée. Ces techniques minimisent également l'impact sur l'environnement.

Applications et industries

Automobile

On a découvert que plus de 200 kg par véhicule des voitures produites en Europe utilisent couramment de l'aluminium. En outre, le secteur automobile produit diverses pièces légères et résistantes grâce au procédé HPDC. Par exemple, les blocs moteurs, les boîtiers de moteur d'essuie-glace, les contrôleurs AC/DC, les boîtiers de batterie, etc.

Aérospatiale

Les pièces aérospatiales produites avec le moulage sous pression de l'aluminium seraient plus résistantes et plus légères. Par exemple, les supports d'avions et les satellites ont une résistance à la traction pouvant atteindre 300 MPa. Par conséquent, la pièce est plus performante et consomme moins de carburant.

Biens de consommation

Le processus de coulée sous pression est utile pour la fabrication de pièces à parois minces. C'est particulièrement vrai pour les catégories de biens de consommation. Par exemple, il permet de fabriquer des boîtiers électroniques pour ordinateurs portables et téléphones dont les parois ne dépassent pas 1 mm d'épaisseur. Les fabricants produisent plus de 50 000 unités de machines à laver (par an) grâce à cette technique.

Équipement industriel

Pour les composants qui peuvent résister à des pressions plus élevées (jusqu'à 100 bars), il est intéressant de choisir des pièces moulées sous pression telles que des corps de pompe et des vannes. Ces pièces sont étanches et leur rugosité de finition oscille entre Ra 1,6 et 3,2 µm.

Avantages du moulage sous pression de l'aluminium

• Ce procédé permet de couler réellement des pièces avec une tolérance serrée de ±0,1 mm (5 fois mieux que le moulage au sable).
• Il est parfaitement ajusté.
• Les pièces ont des surfaces lisses (jusqu'à Ra 1,6 µm).
• Réduire le post-traitement.
• Les alliages d'aluminium sont recyclables à 100%.
• Ce procédé utilise 40-50% moins d'énergie que le moulage au sable.
• Il réduit l'empreinte carbone.
• Les pièces moulées sont résistantes et ne pèsent que la moitié du poids de l'acier.
• La production de masse réduit le coût par pièce.

Défis et limites

Taille et complexité des pièces :

La taille maximale est limitée, car il peut produire environ 600 x 600 mm (à peu près les dimensions d'une portière de voiture).

Des parois minces inférieures à 0,8-1,5 mm entraîneront un remplissage incomplet. Cette nécessité dépasse les vitesses d'injection pouvant atteindre 4 m/s. En outre, il peut être difficile de reproduire des caractéristiques complexes inférieures à 0,5 mm.

Limites des matériaux :

Ce procédé n'est adapté qu'aux alliages spéciaux comme l'A380. Cela est dû à sa bonne fluidité et à ses caractéristiques de coulée.

Défauts courants

L'emprisonnement de l'air provoque une porosité gazeuse et lorsque ces gaz se dilatent, ils se transforment en défauts tels que des cloques. Ce phénomène se produit généralement dans les pièces plus épaisses (inférieures à 10 mm) et peut être contrôlé par le dégazage.

De même, la porosité de retrait et les fissures apparaissent lorsque la vitesse de refroidissement est irrégulière et inférieure à 500°C/s. Pour éviter cela, une pression de 200 à 400 bars permet de maintenir la densité et l'intégrité pendant la solidification.

Test et contrôle :

Il vous suffit de prévoir la performance de votre projet et d'avoir quelques longueurs d'avance via essais non destructifs. Un système d'inspection par rayons X utilise une tête de tube. C'est le point où la tache focale émet des rayons à travers la pièce moulée. La présence d'un vide modifie la pénétration des rayons X. Il produit une image unique qui simplifie l'analyse. Elle produit une image unique qui simplifie l'analyse.

De même, l'adoption du contrôle par ultrasons permet de localiser les fissures internes en 2 à 5 secondes par pièce. Leurs capteurs contrôlent la vitesse d'injection (±0,1 m/s) et la pression (±10 bar). Cela permet donc de garantir une qualité constante.

Conclusion :

Moulage sous pression de l'aluminium est un procédé fiable. La plupart des secteurs, y compris l'automobile, l'aérospatiale et l'électronique, l'utilisent en raison de son prix abordable et de sa conductivité élevée pour les grosses commandes.

C'est l'option qui permet d'obtenir des formes précises et des finitions lisses tout en consommant moins d'énergie. Bien que ce ne soit pas le cas, il y a des défis à relever, comme les limites de taille et les défauts occasionnels. C'est pourquoi l'utilisation de tests et de contrôles modernes permet de maintenir une production stable.