DS0303 - Produits (conception, procédés et matériaux)

Fissuration de matériaux agrégataires à liant polymère – FIMALIPO

FIMALIPO (fissuration de matériaux agrégataires à liant polymère)

Le moulage des culasses en aluminium de moteurs automobile utilise des noyaux en sable liés par de la résine. <br />Ces noyaux doivent être extraits sans laisser de résidus dans les pièces. L'objectif est de développer une compréhension de la fissuration et de la fragmentation des noyaux à l'aide d'une analyse expérimentale et d'une modélisation numérique prédictive. L'intérêt de ce projet est d'améliorer la fiabilité du procédé de fabrication des culasses et d'en diminuer son coût.

Une compréhension de la fragmentation des noyaux en sable, utilisés dans la fabrication de culasses en aluminium, grâce à une analyse expérimentale et à une modélisation numérique prédictive.

Le procédé SPM (moule semi-permanent) utilisé pour le moulage de culasses automobile en aluminium utilise une grande quantité de sable. Ce procédé permet d'obtenir des vitesses de solidification plus élevées, donc des microstructures plus fines par rapport au procédé de moulage sable. Toutefois, si le moule est en acier pour permettre une solidification plus rapide, du sable de silice est utilisé pour créer toutes les cavités internes de la culasse. Après solidification complète de la pièce, ces noyaux en sable doivent être extraits, sans laisser une trace de ce sable. Cette opération appelée débourrage est le plus souvent réalisée par des moyens mécaniques: une première étape de martelage pneumatique pour fragmenter les noyaux, puis une étape de vibration pour éliminer les morceaux fragmentés. <br />Il n'y a actuellement pas de modèle pour simuler la propagation de ces vibrations dans la pièce ni pour prédire leur impact sur la fragmentation des noyaux. Sans un modèle physique, il n'y a en effet aucune approche prédictive possible. Ce manque d'outil de simulation se traduit par un temps de mise au point important (méthode pas à pas) pour le développement de nouveaux produits et par un procédé non robuste en production. Récemment, grâce à la capacité de calcul de l'Ecole des Mines de Paris, le Centre des Matériaux a proposé une simulation du martelage sur une culasse, en utilisant le logiciel Zset [Référence: «Etude du premier mode propre d'une culasse automobile« D. Ryckelynck, D. Missoum - Benziane, Janvier 2012]. Ces résultats préliminaires ont montré l'importance de la fréquence de frappe, la position des marteaux, ainsi que la stratégie de serrage.

WP1 - DESCRIPTION DE LA PROBLÉMATIQUE DE DEBOURRAGE, PROCEDURE EXPERIMENTALE.
Pour cela, nous allons utiliser:
- Une machine industrielle instrumentée (paramètres de martelage / vibration),
- Une éprouvette technologique instrumentée pour les mesures de choc,
- Des noyaux instrumentés pour mesurer l'évolution de la température au cours du process de moulage
- La tomographie pour comprendre l'évolution de la fissuration dans les noyaux lors de débourrage.
WP2 SIMULATION DE LA FRAGMENTATION EN UTILISANT DES METHODES DE REDUCTION DE MODELE
La détermination de modèles numériques sera sous la responsabilité de ARMINES - CdM. Les modes propres de la culasse seront déterminés numériquement. Ces modes imposeront des conditions aux limites de type Dirichlet aux noyaux en sable. Une loi d'endommagement type Mohr-Coulomb sera développée pour modéliser la rupture des noyaux. La résolution des équations non-linéaires sera accélérée à l'aide d'une méthode numérique originale.
WP3 - ÉTUDE DU COMPORTEMENT THERMO-MÉCANIQUE DES NOYAUX
Cette partie décrit le comportement thermomécanique des noyaux en sable et sera dirigée par MATEIS. Le laboratoire mettra en œuvre tous les moyens de caractérisation nécessaires pour identifier le comportement des noyaux. Des essais originaux (flexion trois points, etc ...) doivent être développés pour comprendre le comportement de ce matériau particulier sous des charges statiques et des charges dynamiques de type choc. L'influence du cycle thermique subi par les noyaux lors de la coulée sera également caractérisée et modélisée.
WP4 - VALIDATION ET COMPARAISON ENTRE L'EXPÉRIENCE ET LA SIMULATION
Une «éprouvette technologique« sera définie, moyen expérimental pour reproduire les charges dynamiques mesurées au cours du procédé de débourrage.

Ce projet permettra à Montupet de devenir concurrentiel, en ce qui concerne les futurs moteurs et les marchés futurs. Ce projet permettra, par l'originalité de l'approche, de lever des verrous technologiques et de comprendre les phénomènes lors du procédé de débourrage:
1. Déterminer les fréquences de vibration dans la gamme de 500 Hz à 20 kHz, l'analyse expérimentale des contraintes résiduelles et des cinétiques d'érosion.
2. Modéliser la fragmentation par un cycle stabilisé dans le cadre des méthodes de réduction du modèle.
3. Elaborer la loi de comportement des noyaux et leur dégradation pour être en mesure d'obtenir un modèle prédictif de la fragmentation.

L'utilisation de la simulation numérique pour modéliser le processus de débourrage peut nous conduire à remettre en cause la technologie actuelle (martelage pneumatique dans la gamme de vibration 10 à 20 Hz) qui est plutôt archaïque. Nous pouvons remarquer que les premières fréquences propres de culasses sont dans la plage de 500Hz à 20kHz. Le développement d'une nouvelle technologie pour le débourrage des culasses, par exemple à base d'actionneurs piézoélectriques, pourrait alors devenir un objectif. De nouveaux partenaires industriels seraient alors impliqués.

Les retombées scientifiques sont nombreuses:
- Des lois de comportement seront établies sur un matériau composite original hétérogène. L'influence du vieillissement thermique fera l'objet d'un protocole expérimental complexe
- Les modes de rupture seront déterminés à l'aide de technologies innovantes (tomographie)
- Un modèle numérique sera proposé prenant en compte des sollicitations mécaniques complexes sur un matériau hétérogène en fonction de son degré de vieillissement thermique
- Du fait de la complexité de la pièce et du modèle, des méthodes de réduction de modèle originales seront utilisées
Toutes ces innovations pourront faire l'objet de publications et ont déjà fait l'objet de colloques (GFC)

Le moulage des culasses en aluminium de moteurs automobile utilise une grande quantité de noyaux en sable lié par une résine.
Ces noyaux doivent être extraits sans laisser de résidus dans les pièces. Cette opération de plus en plus difficile à réaliser est cruciale pour l'amélioration de la qualité des culasses. L'objectif du projet est de développer une compréhension complète de la fissuration et de la fragmentation des noyaux avec une analyse expérimentale et une modélisation numérique prédictive. Ceci nécessite une description de la procédure expérimentale d'évacuation des noyaux, le développement de la simulation de la fragmentation en utilisant une méthode de réduction de modèles, une analyse expérimentale du comportement thermomécanique du sable lié par résine ainsi qu'une validation et une comparaison entre expérience et simulation du débourrage. L'intérêt de ce projet est d'améliorer la fiabilité du procédé de fabrication des culasses et de diminuer son coût.

Coordinateur du projet

Monsieur Adrien LAFORET (MONTUPET)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

MONTUPET MONTUPET
MATEIS Matériaux : Ingénierie et Science
ARMINES CdM ARMINES Centre des Matériaux de Mines ParisTech

Aide de l'ANR 653 157 euros
Début et durée du projet scientifique : septembre 2014 - 48 Mois

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