NTopology : Moulage par Impression 3D

Le moulage des métaux est une méthode de fabrication courante et éprouvée, utilisée pour produire des biens que nous incorporons dans notre vie quotidienne. Aujourd'hui, 90 % des produits manufacturés et des machines comprennent des composants fabriqués par moulage. Le procédé de moulage des métaux le plus populaire est le moulage en sable ; plus de 70 % de toutes les pièces métalliques sont fabriquées selon ce procédé de production.  Le processus de moulage en sable commence par la création d'un moule sacrificiel composé de sable compacté mélangé à un liant. La cavité du moule est ensuite remplie de métal en fusion à travers un système d'injection avant que le moule ne soit détruit pour libérer la pièce coulée

La coulée en sable remonte au 1er siècle avant Jésus-Christ. Au fil des siècles, elle a évolué vers le processus industriel que nous connaissons. Pourtant, les fonderies d'aujourd'hui bénéficient de l'avènement des technologies de fabrication numérique et d'impression 3D.
Le moulage en sable à l'aide de moules et de noyaux imprimés en 3D apparaît comme une application industrielle clé de la fabrication additive. Jusqu'à récemment, les ingénieurs concepteurs et les fonderies utilisaient cette technologie de fabrication hybride principalement pour le prototypage. Aujourd'hui, de plus en plus de fonderies aux États-Unis et à l'étranger adoptent cette technologie de fabrication pour améliorer leurs processus internes.

Pour démontrer les avantages du moulage en sable avec des moules et des noyaux imprimés en 3D, les ingénieurs de nTopology, de l'université de Penn State, de Flow 3D et de Humtown ont uni leurs forces pour redessiner un bras robotique d'un mètre de long. Ensemble, ils ont créé un flux de travail de moulage numérique de bout en bout, de l'optimisation des pièces à la conception pour la fabrication et, enfin, à la fabrication. L'équipe a combiné des techniques de conception de pointe, comme l'optimisation de la topologie, avec des caractéristiques de moulage avancées qui ne peuvent être fabriquées que de manière additive (notamment la carotte, les portes et les élévateurs).

 Grâce à cette méthode, l'équipe a réussi à
- Réduire le poids de la pièce de 40 %.
 - éviter les défauts de moulage courants
- Imprimer directement en 3D l'intégralité du moule en sable
- Fabriquer la pièce en moins d'une semaine

La première étape de ce projet a consisté à optimiser la géométrie du bras robotique. À l'aide d'un logiciel d'optimisation de la topologie, l'équipe a réduit le poids de la pièce de 40 % - de 240 livres à 165 livres - tout en répondant aux exigences fonctionnelles des conditions de charge définies. L'optimisation de la topologie est une technique de conception basée sur la simulation utilisée pour maximiser la rigidité et minimiser le poids dans les applications d'ingénierie aérospatiale et automobile. Les capacités automatisées de lissage et de reconstruction de nTopology ont permis à l'équipe d'apporter des modifications à la conception rapidement et avec peu d'efforts.

Bien entendu, l'équipe d'ingénieurs a tenu compte de la possibilité de fabriquer la pièce pendant la phase de conception. La pièce métallique finale pèse environ 75 kg lorsqu'elle est moulée en aluminium et a des dimensions de 39" par 16" par 16" (ou 1,0 m par 0,4 m par 0,4 m). La taille du bras robotique a limité les options dont disposait l'équipe pour produire cette énorme pièce.

Suivre la méthode traditionnelle de fabrication de moules (en utilisant un modèle maître) introduirait plusieurs complications. En raison de la complexité de la géométrie, l'équipe de conception aurait dû faire de nombreux compromis, ce qui aurait réduit les performances de la pièce.

Pour démontrer les capacités de la technologie, l'équipe a décidé d'imprimer directement en 3D l'intégralité du moule. Un scénario de production plus courant consisterait à n'imprimer en 3D que certaines parties du moule, comme les noyaux du moule ou d'autres systèmes essentiels à la qualité. Cette décision permet à l'équipe d'optimiser d'autres caractéristiques critiques du moule, comme la géométrie et l'emplacement des tiges de coulée, des entrées et des colonnes montantes. Ce processus a permis de s'assurer que le métal coulé aurait une porosité interne minimale et des propriétés matérielles très performantes. Le moule a été conçu dans le cadre d'une collaboration entre la Penn State University et Flow3D. L'équipe a tenu compte de deux exigences de conception principales au cours de cette étape :

Le métal fondu doit remplir la cavité de manière aussi fluide que possible. Des recherches ont montré que des débits inférieurs à 0,5 m/s sont nécessaires pour minimiser les turbulences et réduire la possibilité de défauts du matériau dus au détachement de la couche d'oxyde et à la porosité. Les colonnes montantes doivent se solidifier après la pièce. Une solidification inégale est une autre cause fréquente de défauts internes, de rétrécissement, de fissures et de déformation de la pièce. Pour cette raison, les sections qui seront usinées sur la pièce après le moulage doivent se solidifier en dernier, puis assemblé avant de couler le métal en fusion. Ce modèle de carotte à hélice en spirale ne pouvait pas être fabriqué avec des modèles traditionnels.

Pour s'assurer que le matériau remplit le moule sans introduire de turbulences, l'équipe a repensé la conception du système d'entrée et des colonnes montantes. Au lieu d'une carotte descendante, ils ont utilisé une sonde hélicoïdale en spirale. Au lieu d'élévateurs cylindriques, ils ont opté pour des élévateurs de forme sphérique ou hémisphérique. Cette géométrie optimisée de la carotte et de l'élévateur a permis de garantir que la vitesse d'écoulement du métal en fusion soit inférieure au seuil souhaité et que le métal en fusion se solidifie de manière homogène. De plus, ces caractéristiques ne pouvaient être réalisées qu'à l'aide de technologies de fabrication additive directe, car il est impossible de créer un tel outillage à l'aide d'un procédé traditionnel de fabrication de modèles de fonderie.

Pour déterminer la meilleure orientation de la pièce et la position optimale du canal, des vannes et des colonnes montantes, l'équipe a effectué plusieurs itérations de conception à l'aide d'un logiciel de simulation de coulée. L'objectif des simulations était d'optimiser les performances des colonnes montantes, de minimiser la porosité et de vérifier les vitesses d'écoulement des vannes. L'étape de simulation a permis de garantir que la pièce serait fabriquée du premier coup et de réduire le temps de développement de plusieurs mois à quelques semaines.

Les capacités uniques de production directe du processus d'impression 3D permettent la production de ces méthodologies avancées de conception de moules. Il est également prouvé qu'elles permettent une amélioration significative des performances. Des recherches ont montré que, par rapport aux méthodes traditionnelles, les pièces moulées produites à l'aide de ce modèle présentent :  99 % de défauts en moins pour un total de 0,02 % d'inclusions internes non métalliques. Une résistance supérieure de 8 à 15 % lorsque les pièces sont coulées avec les mêmes matériaux. L'amélioration des performances des matériaux tels qu'ils sont coulés rend ce procédé particulièrement pertinent pour les fonderies qui créent des pièces hautes performances ou personnalisées.

La capacité de produire rapidement les formes et structures complexes souhaitées dans le sable était fondamentale pour la fabrication de la pièce et pour atteindre les objectifs du projet. Humtown a utilisé l'un de ses quatre systèmes d'impression 3D à jet de liant de sable ExOne SMax pour fabriquer le moule. Une fois que les ingénieurs de Humtown ont reçu la conception finale du moule, ils ont pu l'imprimer en moins de 24 heures. Grâce à son partenariat étroit avec Humtown, Trumbull Foundry a pu couler le moule en un jour.

Humtown est l'un des principaux fournisseurs de solutions de moulage en sable imprimé en 3D aux États-Unis. Elle a adopté les nouvelles technologies et encourage désormais d'autres fonderies à adopter de nouvelles méthodes de moulage afin de créer un écosystème de chaîne d'approvisionnement allégé et agile.

Les technologies d'impression 3D changent la donne en matière de moulage des métaux. L'impression 3D en sable permet aux ingénieurs de conception et de fabrication de :

- Produire des pièces de grande taille optimisées avec des géométries complexes.
- Concevoir des moules de coulée qui minimisent les défauts internes des matériaux
- Construire des chaînes d'approvisionnement de fabrication plus légères et plus agiles.