MOules et Noyaux ARCHitecturés par ImprEssion 3D Sable – MONARCHIES

Le projet s'appuie sur la méthodologie de Conception pour la Fabrication Additive de moule «Design for Additive Manufacturing« (DFAM). Pour appliquer cette méthodologie, il faut définir, au préalable, la capabilité de l’imprimante 3D sable suivant ses 3 axes, les règles métiers de l’impression 3D sable et de la fonderie, les lois de dégradation des résines associées aux moules et aux noyaux de fabrication additive et la caractérisation des propriétés thermiques des sables. Toutes ses données sont définies par expérimentation et par la réalisation de dispositifs expérimentaux pour déterminer par méthode inverse les propriétés thermiques recherchées. L'approche multi-matériaux, possible par l'impression 3D sable, offre une plus grande liberté pour la conception des pièces de fonderie.

Les premiers résultats obtenus sur ce projet sont:
- La réalisation d'un prototype d'imprimante 3D sable à partir d'un robot permettant d'utiliser notamment un liant inorganique et différentes poudres (sable, céramique, métal,...) afin de contrôler le refroidissement des pièces et la qualité métallurgique de celles-ci.
- Le développement et la réalisation d'un dispositif expérimental permettant de mesurer l’évolution du dégazage des noyaux au cours du temps et en fonction des températures.
- Le développement et la réalisation d'un dispositif expérimental permettant la caractérisation des propriétés thermiques des sables par méthode inverse afin d'alimenter la base de données des logiciels de simulation numérique de fonderie
- L'ébauche d'une méthodologie de fabrication de moules hybrides basée sur des critères de complexité et testée sur des cas industriels .

Les travaux de recherche réalisés sur ce projet permettent d'envisager:
- la réalisation d'une imprimantes 3D sable multi-matériaux et multi-liant
- L'enrichissement des bases de données des logiciels de simulation numériques prenant en compte la caractérisation des propriétés thermiques de différents sables afin de simuler la dégradation de noyaux et la génération de gaz engendré
- la programmation et l’implémentation de la méthodologie de réalisation de moules hybrides dans des logiciels de CAO
- une méthodologie optimisée de conception et de réalisation de moule architecturé

1 brevet en cours de dépôt
Communication internationale
: 2 publications avec revue à comité de lecture (Welding in the World 2017, Rapid Prototyping Journal 2017)
2 conférences ICWAM 2017
Communication nationale:
1 Manufacturing 2017
1 Symposium Fabrication Additive et Métiers de la Métallurgie 2017
Action de diffusion:
1 Poster : SF2M 2017
1 Poster Symposium Fabrication Additive et Métiers de la Métallurgie 2017
autre:
Mise en place d’une collaboration avec le développeur de logiciel ESI autour du module Core Gas

L’impression 3D sable impacte fortement les savoirs faire traditionnels des fondeurs suite à l’absence d’outillage et à la diversité des formes réalisables. Le projet MONARCHIES a pour objectif de concevoir et de fabriquer des moules et noyaux architecturés, intégrant de nouvelles fonctionnalités dans le moule et sur la pièce. Un changement de paradigme de conception des pièces et des moules doit s’opérer dans les services R&D afin d’exploiter au maximum toutes les possibilités de l’impression 3D sable. L’optimisation topologique associée à de nouvelles règles métiers de la fabrication additive ouvre un vaste champ sur la conception de nouveaux produits en fonderie et de nouvelles formes dans les moules et les noyaux. Le changement de sable, de liant et la modification des paramètres d’impression contribuent à agir sur les propriétés mécaniques et physiques du moule ainsi que sur les pièces coulées. Cette nouvelle technologie de fabrication des moules permet de prévoir l’intégration de nouvelles fonctionnalités telles que des évents, des refroidisseurs, des logements pour des capteurs, … Avant d’aboutir à une intégration complète et de palier à certaines limites de l’impression 3D pour les petites séries, une étape intermédiaire s’avère nécessaire par la réalisation de moules hybrides, utilisant les meilleures caractéristiques des différents procédés de fabrication en fonction de critères technico-économiques. Dans le cadre du respect de l’environnement, l’étude de différents types de liants inorganiques sur l’imprimante 3D sera conduite afin de définir les formes optimales des moules et noyaux garantissant les bonnes propriétés mécaniques et la facilité de débourrage. Des essais seront réalisés afin de caractériser les moules et les pièces obtenus par impression 3D et d’enrichir la base de données des logiciels de simulation de fonderie notamment au niveau des caractéristiques thermiques des sables utilisés. Toutes ces études contribueront à maîtriser la réalisation de moules et de noyaux architecturés, un nouvel axe de développement pour la fonderie de demain.