Concevoir la prochaine génération de systèmes de filtration des métaux en fusion

Dans la coulée des métaux en fusion, la filtration a un impact direct sur la qualité, la régularité et le rendement des pièces coulées. Pour l’aluminium, la fonte, l’acier et les superalliages à haute valeur ajoutée des filtres céramiques sont utilisés pour éliminer les inclusions non métalliques tout en contribuant à contrôler l’écoulement du métal en fusion dans le moule.

Le défi réside dans le fait que les filtres céramiques en mousse conventionnels présentent une structure interne intrinsèquement aléatoire. Les variations de taille des pores, d’épaisseur des arêtes et des trajectoires d’écoulement peuvent rendre la filtration et l’écoulement du métal moins prévisibles — une considération de plus en plus importante car les fonderies cherchent à réduire les défauts, à améliorer la répétabilité et à obtenir un contrôle plus précis de leurs processus de coulée.

C’est là que la fabrication additive, ou impression 3D, offre une approche différente.

Pourquoi l’impression 3D convient si bien aux filtres céramiques?

Plutôt que de reposer sur une structure de mousse aléatoire, un filtre imprimé en 3D peut être créé à partir d’une conception numérique permettant de concevoir précisément sa géométrie interne en fonction des exigences du processus de coulée.

Les filtres céramiques en mousse traditionnels sont généralement produits en revêtant une mousse polymère à cellules ouvertes avec une barbotine céramique. La mousse est ensuite éliminée lors de la cuisson laissant derrière elle une structure céramique poreuse.

Ce procédé est éprouvé et largement utilisé mais la géométrie interne qui en résulte est intrinsèquement aléatoire. Les dimensions des pores, l’épaisseur des arêtes et les trajectoires d’écoulement peuvent varier d’un point à l’autre du filtre.

L’impression 3D change cela.

Le filtre est créé à partir d’un modèle CAO numérique, ce qui permet de concevoir et d’imaginer délibérément son architecture interne offrant un meilleur contrôle sur:

  • La taille des pores et des canaux;
  • l’épaisseur des arêtes;
  • La surface ouverte et la porosité;
  • la tortuosité;
  • la surface spécifique;
  • la direction de l’écoulement;
  • la géométrie globale du filtre.

Après l’impression, le composant céramique est séché ou durci, délianté si nécessaire puis fritté à haute température pour développer ses propriétés mécaniques et réfractaires finales.

Des matériaux tels que l’alumine, la zircone, la mullite et le carbure de silicium peuvent être envisagés en fonction de la température de fonctionnement, de la composition chimique de l’alliage et des exigences de l’application.

Le résultat est le possibilité de passer d’une structure poreuse largement aléatoire à un composant conçu pour influencer la manière dont le métal en fusion se déplace à travers le filtre.

Pourquoi le contrôle de la filtration et de l’écoulement du métal est important

Une filtration efficace implique bien plus que la simple création de pores plus petits pour les particules à éliminer.

Un filtre doit capturer les inclusions tout en maintenant un débit de métal en fusion suffisant. Si la structure est trop ouverte, l’efficacité de filtration peut être réduite. Si elle est trop restrictive, une perte de charge excessive peut ralentir le remplissage du moule et augmenter le risque de solidification prématurée.

L’impression 3D permet de concevoir numériquement cet équilibre.

Les dimensions des canaux, la géométrie du réseau, la taille des arêtes et la profondeur de filtration peuvent tous être modifiés pour obtenir la relation requise entre:

Débit | perte de charge | capture des inclusions | temps de remplissage du moule

La conception numérique permet aussi de recourir à la mécanique des fluides numériques et a la simulation de coulée pour optimiser le filtre selon un alliage, une pièce ou un système de coulée donné.

Plutôt que de sélectionner un filtre principalement en fonction de son nombre nominal de pores par pouce les fonderies peuvent désormais, de plus en plus, spécifier une géométrie conçue selon les caractéristiques d’écoulement requises.

Répétabilité et maitrise du procédé

L’un des principaux avantages de l’impression 3D réside dans sa répétabilité
Une structure en treillis définie numériquement permet de supprimer une grande partie de la variabilité géométrique observée dans les mousses traditionnelles. Sous réserve d’une maitrise rigoureuse des procédés d’impression et de frittage, chaque filtre reproduit la même architecture interne.

Cette approche peut ainsi de faire de la filtration une étape davantage maîtrisée du processus de coulée.