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Optimisez votre procédé de fonderie sous pression grâce à une gestion maîtrisée du poteyage
Le poteyage influe directement sur la qualité de vos pièces, la durée de vie de vos moules et vos temps de cycle. J'ai rédigé une synthèse technique exclusive, conçue pour les professionnels, couvrant les fonctions clés (thermique, démoulage ), la mise en œuvre, la maîtrise des paramètres critiques, l'analyse des défauts en lien avec le poteyage, ... , les innovations et tendances.
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La patine des alliages de cuivre
La patine est un traitement décoratif particulièrement utilisé sur les alliages de cuivre. Les bronzes d'art sont ainsi moulés par un fondeur mais souvent patinés par l'artiste lui-même qui y met sa touche personnelle. De très nombreux coloris sont disponibles.
🟡🟡 La patine décorative des métaux remonte à plusieurs siècles. Elle est beaucoup utilisée en sculpture sur des bronzes d’art. Dans le cas des métaux moulés, la taille des grains varient selon les zones et la patine révèle ces grains donnant un effet hétérogène à la pièce. Une texturation de la surface (gravure chimique, martelage, sablage) peut également varier les effets de la patine.
✅ Une coloration homogène et durable nécessite un nettoyage de la pièce avant patine par différentes techniques (dégraissage, nettoyage, ponçage, nettoyage par ultrasons). Toute graisse - y compris des empreintes de doigt - empêche la coloration locale
✅Sur des sculptures en bronze, la coloration est rarement obtenue en une fois, mais nécessite un cycle d’application progressives de l’acide, suivi d’un séchage, sur quelques heures ou jours, jusqu’à obtenir la coloration souhaitée. L’application du produit peut être faite par tamponnage, à la brosse métallique ou souple ou encore par pulvérisation. Un agent mouillant peut être rajouté à la patine pour améliorer son étalement et éviter la formation de gouttes ou de coulures. L’artisan qui pratique la patine par pulvérisation doit porter des EPI si les produits utilisés sont toxiques
✅La technique de patine par chalumeau est bien connue des sculpteurs. En fonderie, c'est souvent l'artiste lui-même qui vient patiner son œuvre d'art. La température de la surface sur laquelle est appliquée la solution est un paramètre majeur. Un bronze de grande dimension retiendra la chaleur du fait de l’inertie thermique et aura besoin d’une chauffe moins fréquente mais plus soutenue par rapport à une petite pièce
✅On peut également colorer des objets en les plaçant à l'intérieur d’une enceinte en présence de vapeur d’eau et de gaz pour reproduire les conditions atmosphériques
✅Des surfaces très texturées et des couleurs variées peuvent être obtenues en traitant la surface à la sciure imprégnée de l’acide de traitement
✅Un grand nombre de produits sont utilisés, seuls ou en combinaison. Ces produits sont dilués à l’eau et sont tamponnés sur la pièce à chaud. La patine constitue un savoir-faire spécifique ou chaque artiste développe souvent ses propres recettes de produit de patinage. Les produits de base des patines sont le nitrate de cuivre (Vert), le nitrate de fer (Brun rouge), le sulfure de potassium (Brun foncé), la soude (Bleu), l'oxyde de fer (Rouge), l'oxyde de zinc ou de titane (Blanc).
✅Il existe également des produits traditionnels, comme le Rokusho au Japon qui permet à l’or d’être rendu légèrement plus jaune tandis que l’argent est éclairci. Une pâte à base de radis blanc - daikon - est employé, qui protège du ternissement et active la surface métallique
Le Taux de Rendement synthétique
Le TRS ou Taux de Rendement Synthétique recouvre plusieurs notions : le temps de cycle, le temps d'ouverture machine ou les pièces bonnes. Cet indicateur très global ne permet pas d'identifier finement les problèmes
📶 Le TRS 📶est un indicateur de performance d’un îlot de fonderie sous pression. Comme son nom l’indique (Taux de Rendement Synthétique), il synthétise 3 grandeurs qui sont elles même des ratio : La disponibilité (temps de fonctionnement réel / temps d’ouverture total) x La Performance (Nb de pièces produites / Nb de pièces théoriques) X La Qualité (Nb pièces bonnes / Nb pièces totales). Le TRS est appelé OOE (Overall Equipment Effectiveness) par les anglo-saxons
✅ La fonderie sous pression est un environnement sévère (températures élevées, contraintes thermomécaniques, métal en fusion, automatismes multiples) où atteindre un TRS de 85% est extrêmement rare, mais pas inatteignable. Il est évidemment plus facile d’atteindre 85 % sur un îlot de production très récent, avec un moule neuf et des équipes de maintenance (machine, moule) bien dimensionnées. Il est plus simple aussi d'optimiser le TRS en mono-produit toute l’année (bloc-moteur …) où l’on peut accumuler du REX et plus compliqué avec des changements de produits fréquents. Car pour avoir un TRS à 85 %, il faut 3 ratio à 95 % alors que 3 ratio à 85 % conduisent à un TRS de 73 %. On dira donc qu’un TRS classique est de 65-75 % et qu’un très bon TRS est de 80 % (et +)
✅Ce qui fait chuter le TRS : les pertes de disponibilité machine (arrêt moule, arrêt machine, attente matière), l’augmentation du temps de cycle (dérive de la phase de poteyage, attente robot, opérations non synchronisées …) et enfin la non qualité (rebuts de démarrage en cas d’arrêts trop fréquents, rebuts en cours de cycle constants)
✅Certaines erreurs peuvent être commises : Sur un moule 4 empreintes, si une seule empreinte est défectueuse, une injection produit 3 pièces bonnes et 1 rebut. Compter le nombre d'injections au lieu des "pièces conformes" fausse le calcul. De la même manière, exclure les arrêts programmés (pauses, maintenance préventive, manque de charge client) du TRS si l'îlot était censé produire est une erreur fréquente qui fausse l’indicateur et donne une mauvaise idée de la réelle performance industrielle. Enfin, enlever du calcul du TRS les premières grappes de démarrage sous prétexte que "c'est normal" cache un gisement d'amélioration (thermorégulation préalable du moule, limitations des redémarrages …)
✅Mais au-delà de la valeur en elle-même, ce qu’il est important de mesurer le progrès réalisé au fil des années (à iso-périmètre). Un TRS très dégradé sur un îlot signifie peut-être que cet îlot est hors d’âge et qu’il doit être renouvelé (retrofit / achat). De la même manière, des arrêts machine récurrents liés au moule vont peut-être pousser à renouveler l'empreinte. Il est donc important d’imputer avec précision les causes de non disponibilité afin d’avoir des actions ciblées. Le TRS est en effet un KPI (Key Performance Indicator) trop global qui ne permet pas de comprendre d’où provient la dérive.
Refroidir le moule en fonderie sous pression - impact du poteyage
Les fonctions du poteyage en HPDC sont multiples : refroidir le moule, permettre l'éjection de la grappe, éviter le collage moule/métal. Les paramètres qui conditionnent son efficacité sont aussi nombreux (produit, position des buses, température de moule...)
📚 Le poteyage en fonderie sous pression 📚a un impact majeur et permet de réaliser deux actions simultanément : refroidir le moule et déposer un film lubrifiant
✅ La thermique moule est gérée par les canaux de refroidissement (eau) et de thermorégulation (eau/huile) et éventuellement des jet cooling. Mais cela ne suffit pas pour atteindre des temps de cycle court. Le poteyage permet de pulvériser de l’eau directement en surface (refroidissement externe) et permet d’évacuer plus de 50 % des calories
✅Le démoulage de la grappe est assurée par le mince film lubrifiant (quelques microns) qui s’interpose entre l’acier et l’aluminium (ou zamak/magnésium/ …). Le poteyage contient en effet des agents lubrifiants (cire, silicone, produits de synthèse) qui se déposent sur le moule. Lorsque certaines zones de moule n’ont pas ce film protecteur, des phénomènes de “collage” (interaction moule-métal) apparaissent qui conduisent à des arrêts de production
✅La phase de poteyage occupe souvent une part importante du temps de cycle (20 % ou davantage) et à un impact majeur sur la qualité des pièces. En effet, si de l’eau résiduel non évacué par le soufflage reste lors de l’injection, des porosités gazeuses sont générées. Si une zone de moule est mal refroidie, un point chaud peut apparaître, favorisant l'apparition de retassures
✅Le poteyage est plus complexe à piloter que d’autres paramètres machines (V2, P3 …) car son efficacité est lié à de multiples buses (pulvérisation et soufflage). Chaque buse a un direction de pulvérisation (orientation de la buse) et un débit. En cas de modification de ces 2 paramètres, l’efficacité (refroidissement et action démoulante) est modifiée localement sur le moule. Les buses en particulier peuvent se boucher progressivement et leur direction se dérégler (desserrage, action volontaire de réglage …). Il n’est pas simple de checker leur bon fonctionnement. L’utilisation de thermographie infra-rouge permet de mesurer indirectement leur efficacité, mais pas de contrôler leur bon réglage
✅Il peut y avoir une baisse de la pression d’eau (ou d’air) dans le circuit (en bout de ligne par exemple), qui va affecter le débit et modifier le comportement du poteyage
✅De nombreuses technologies sont apparues pour aller vers du poteyage dit “sec” (poteyage sans eau) avec la pulvérisation électrostatique ou avec des produits hyper concentrés. Ces technologies peuvent donner des résultats satisfaisants à condition de compenser l’absence d’eau par des circuits internes (eau, thermo) optimisés en amont (plus de circuits, conformal cooling, insert cuivre …). Certains fondeurs ont même, pendant un temps, dissocié les 2 fonctions (2 circuits) en refroidissant d’abord avec de l’eau pure puis en déposant un film avec un produit plus concentré
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Substituer le poteyage en moulage coquille
Le poteyage en surface d'outillage en moulage coquille possède de multiples fonctions, mais il a une durée de vie limitée et s'use. Peut-on le remplacer par un dépôt dur, épais et à plus longue durée de vie ?
🚀J’ai conduit plusieurs études 🚀pour se passer de poteyage en moulage coquille et le substituer par un autre produit à très longue durée de vie ?
✅Le poteyage possède deux fonctions : moduler les échanges thermiques entre la pièce et le moule (épaisseurs différentes - 40 µm ou 100 µm, poteyage "noir" / "blanc") selon les zones et empêcher les interactions directes en le moule en acier et l’aluminium
✅Mais le poteyage s’use au fil des pièces, ce qui modifie les échanges. Cette usure est irrégulière. Au bout de quelques équipes de production, le poteyage doit être refait, ce qui nécessite un démontage de moule, l'élimination du vieux produit, la réfaction du poteyage (préchauffe, pulvérisation), le contrôle des épaisseurs, le préchauffage du moule, son remontage et des pièces rebutées de redémarrage. Autant d’étapes longues et improductives
✅De nombreuses études ont été conduites. Tout d’abord, ont été testés des dépôts minces de type PVD ou CVD TiN, CrN, TiAlN (ou multi-couches). Si ces dépôts minces permettent d’empêcher les interactions moule/métal pendant un temps, ils sont minces (< 10 µm) et n’assurent pas la modulation des échanges. Ils sont coûteux et fragiles et finissent par s’user. Ils peuvent à la limite protéger le moule en appliquant par dessus un poteyage conventionnel. De plus, si une broche neuve peut faire l’objet d’un PVD, ce dépôt ne tient plus sur broche usagée.
✅Des dépôts épais par torche à plasma ont été testés avec des fournisseurs sur un moule de production. La torche à plasma présente l’intérêt de pouvoir moduler l’épaisseur des céramiques techniques déposées. Mais le temps de préparation est long et complexe (décapage, sous couche d’accrochage, dépôt, programmation des trajectoires de la torche). Le coût est important (sous-traitance). Le dépôt céramique n’a pas tenu et s’ai écaillé très rapidement (quelques coulées ou dizaines de couloée) sur de nombreuses certaines zones malgré le soin pris par les fournisseurs experts du domaine pour optimiser son application
✅Le PVD/CVD comme la torche à plasma ne peuvent pas être internalisés dans une fonderie (équipement trop coûteux, technologie pointue) alors que le poteyage traditionnel est réalisé en interne. De plus, en cas de dépôt arraché, on ne peut pas “réparer” localement la zone avec ces nouvelles technologies alors que c’est réalisable en poteyage conventionnel
✅Chercher à remplacer le poteyage est le type même de “fausse bonne idée”. De multiples études, qu’une veille technologique met en évidence, le prouvent.
✅La tenue du poteyage dans le temps est, en revanche, une vraie thématique, mais il faut davantage l’aborder par la maîtrise du dépôt (température, paramètres de pulvérisation), la compréhension fine des facteurs clés d’usure (dépouille, chocs thermiques …), le raccourcissement des opérations de réfection du poteyage, voir l’automatisation (robotisation) de la pulvérisation du produit pour assurer une reproductibilité la meilleure possible.
Gate Design en HPDC
La conception d'un système d'alimentation en fonderie sous pression s'appuie sur un certain nombre de règles (Vattaque, Ep attaque, équilibrage des pertes de charge, ...) qu'il convient de maitriser avant de passer à une phase de simulation numérique.
J’ai longtemps travaillé sur la conception des 📊 systèmes d’alimentation 📊en fonderie sous pression.
✅Bien “designer” les canaux, attaques de coulée (éventail et tangentiel) est un atout indéniable pour la qualité des pièces produites
✅ Un certain nombre de règles métiers doivent être respectées :
1️⃣ Découpage de la pièce en zones fictives, chacune étant remplie par une seule attaque. Évidemment, en réalité, c’est plus complexe que cela. Mais ce découpage permet de faire des hypothèses dimensionnantes pour la conception du système d’attaque
2️⃣ Convergence des sections. Afin d’éviter le décollement du métal liquide, la section des canaux doit converger (Coeff. Conv > 1) en s’approchant des attaques. De la même façon, un coeff. de raccordement doit être imposé quand plusieurs canaux se séparent
3️⃣ Écoulement pulvérisé. La vitesse aux attaques doit être suffisante pour assurer un régime dit “pulvérisé” en opposition à un régime en jet (réalisable en 1er phase ou en moulage gravité). Cette vitesse pulvérisée à atteindre est fonction de l’épaisseur d’attaque et elle est d’autant plus grande que l’épaisseur d’attaque est fine
4️⃣ Équilibrage des pertes de charge aux attaques afin d’assurer que les différentes zones de pièce se remplissent dans le même temps de remplissage. Les pertes de charges sont fonctions, en première approche, de la vitesse du métal au carré et de l’épaisseur d’attaque. Afin d’avoir un temps de remplissage identique à chaque attaque, en fonction de la masse de métal à faire passer par une attaque, la vitesse et l’épaisseur d’attaque varient d’une attaque à l’autre. Cet équilibrage ne doit pas conduire à des épaisseurs trop fines (solidification trop rapide et non transmission de la pression P3) ou trop épaisses (difficulté de découpe) ou à une vitesse aux attaques trop élevée
5️⃣ Trajet du métal le plus réduit possible dans la cavité afin d’éviter des recirculations, le refroidissement prématuré (métal déjà partiellement solidifié). Cela conduit à maximiser la longueur d’attaque sur la pièce par de nombreuses zones d’attaques avec des éventails ou des canaux tangentiels
6️⃣ Attaques de coulée pas trop éloignées des zones massives pour assurer une alimentation en 3eme phase (avant solidification)
7️⃣ Éviter de positionner des attaques en face de broches de petit diamètre (< 10 mm) afin de limiter les interactions moule/métal (dit collage) ou alors traiter (PVD/CVD) ces broches
8️⃣ Privilégier les larges rayons de courbure dans les canaux et non pas des angles droits 🤣, sujet à décollements, usures ou retenue de la grappe à l’éjection
⏩ Ces règles permettent de concevoir et dimensionner le système d’attaque en première approche. Il s'agit souvent de trouver le meilleur compromis possible entre remplissage, P3, mise au mille, ... Ce dimensionnement va servir de données d’entrée pour les codes de simulation de remplissage et solidification
Avoir un Blog d'entreprise
Un blog d'entreprise possède plusieurs avantages : parler de l'entreprise (collaborateurs, nouveaux investissements ...), améliorer le référencement (SEO) ou démontrer son savoir-faire. Mais un blog, cela nécessite de l'alimenter régulièrement en contenus de qualité.
📚 J’ai été Redacteur en Chef de MetalBlog 📚pendant 8 ans (15 % de mon temps environ), en parallèle de mon job (responsable d’activité). Avoir un Blog d’entreprise en plus d'un site Web, cela permet de communiquer sur les produits, les process, les salons, les nouveaux clients et plus généralement la vie de l’entreprise
✅ MetalBlog était un blog consacré au monde du métal (moulé, forgé) qui explorait 5 thématiques majeures : les alliages et la métallurgie, les process de transformation, le numérique, les applications et pièces et enfin les actualités du moment (salons professionnels). J’ai moi-même rédigé plusieurs dizaines de posts et surtout sollicité (embêté) mes collègues, experts de différents domaines. Ensuite, j’ai mis à contribution des partenaires extérieurs (fournisseurs, start-up, universitaires, industriels) en lien avec le métal. Dans certains cas, j’ai assisté les rédacteurs pour finaliser (correction, modification …). Soyons honnête, certains partenaires (ou collègues) m’ont quelquefois promis un post, mais ne me l’ont jamais livré, faute de temps ou de motivation. J’ai pris conscience que nous n‘étions pas égaux face à une page blanche
✅ La satisfaction des lecteurs était de l’ordre de 98 %. Une très petite minorité regrettait que les articles ne précisent pas leur source ou soient trop courts. Difficile de contenter tout le monde. Un post de blog, n’est pas une thèse, ni un article scientifique. Il y avait de nombreux commentaires des lecteurs et j’y répondais (en validant la réponse auprès de l’auteur) et j’assurais la modération des commentaires. J’avais rédigé une charte éditoriale (longueur des articles, thèmes, illustration …) qui aidait les rédacteurs et posait le cadre
✅ Pour une entreprise, avoir un blog présente de nombreux avantages. Tout d’abord, améliorer significativement le référencement naturel (SEO) grâce à de nombreux mots clefs et à un maillage (lien vers les pages de service). Ensuite, cela permet d’attirer un trafic qualifié: un visiteur qui trouve sa réponse sur votre blog va naturellement vous faire confiance. Ensuite, le blog est l'espace idéal pour montrer votre savoir-faire. En partageant votre analyse, vous prouvez que vous maîtrisez votre sujet
✅ Face à un concurrent au site "muet", l'entreprise qui explique et conseille sera toujours plus crédible. Le Blog permet de créer une relation avec vos clients là où un site web peut paraître froid et institutionnel. Le blog permet d'adopter un ton plus accessible, de partager les coulisses de l'entreprise, de présenter l'équipe ou d'exprimer ses valeurs. Enfin, créer du contenu de qualité permet d’alimenter facilement les autres canaux de communication (réseaux sociaux, Newsletter)
✅ Les contraintes d’un blog, c’est évidemment de l’alimenter régulièrement avec du contenu de qualité. On peut s’appuyer aussi, pour le contenu, sur des prestataires extérieurs, à l’aise avec la rédaction de contenu
La pression de compression en HPDC
La pression de 3e phase (dite aussi de compression) réduit fortement les imperfections internes (retassures et micro-retessaures). Son efficacité est conditionnée par de nombreux paramètres en lien avec le moule et les paramètres d'injection.
📚 En fonderie sous pression aluminium📚, l’application de la pression de multiplication (dite P3) a un impact majeur sur la qualité des pièces. C’est l’équivalent du masselottage en moulage gravité. P3 permet de réduire très fortement les imperfections (soufflures et retassures). L’efficacité de cette pression, appliquée pendant le solidification, est pilotée par l’épaisseur d’attaque, le niveau de pression, le retard avant application et la distance aux attaques de coulée;
✅ Les retassures sont comblées par le liquide résiduel interdendritique eutectique tandis que les soufflures sont comprimées (mais pas supprimées). Les reprises et manques peuvent également être réduits, mais dans une moindre mesure que les 2 autres défauts;
✅Si l’épaisseur d’attaque est trop mince (< 1 mm), elle solidifie rapidement et limite la transmission de P3. A contrario, une forte épaisseur d’attaque (> 3 mm) est très favorable, mais peut poser des problèmes de découpe. A l’extrême, si l’épaisseur est supérieure à 10 mm (pièce très épaisse), une opération de découpe de pièce est nécessaire. Si l’on couple cette forte épaisseur avec un remplissage lent (à 100 % en 1er phase avec temps remplissage de qq sec.), on bascule du HPDC au squeeze casting indirect (réservé aux pièces massives). Ce process permet d’optimiser la qualité des pièces et de mouler des alliages de type AlSi7Mg ou AlSi10Mg (avec TTH). Le squeeze casting amène un gain de 15 % en limite de fatigue par rapport au moulage coquille.
✅Plus P3 appliquée est importante - jusqu’à 100 MPa environ - et meilleure est la qualité des pièces (forte diminution des défauts internes). Cette forte pression sollicite davantage le moule et peut générer des bavures au plan de joint et des reculs de tiroirs (infiltration, hors dimensionnel). Le niveau de P3 requis est très fortement lié à la qualité attendue (pièce étanche / pièce de décoration …) et à la présence de zones massives (ou non) à alimenter. La conception initiale de la pièce - et la suppression des zones très épaisses - permet de limiter P3 nécessaire.
✅Le retard avant application de P3 a pour fonction de permettre à une couche superficielle de pièce de se solidifier et limite les bavures. Cependant, un retard trop grand (> 150 ms) laisse le temps aux attaques de se solidifier en partie avant application de P3 et peut limiter fortement son efficacité. Une faible épaisseur d’attaque nécessite un retard très réduit.
✅Dans la pièce, la pression réelle en phase de compression diminue à mesure que l’on s’éloigne de l’attaque de coulée. A plus de 500/700 mm de l’attaque, le niveau réellement appliqué devient faible (20 à 30 MPa pour 100 MPa aux attaques), réduisant beaucoup l’effet bénéfique de la compression.
✅En "Start Production" (pièces de démarrage rebutées), on réduit en général de moitié P3 pour éviter de trop solliciter le moule. En cours de production, P3 est l’un des paramètres majeurs suivis (avec V2).
L'acier Corten ⭐⭐⭐
L'acier Corten est résistant à la corrosion car il s'auto-passive sous l'effet des cycles atmosphériques (pluie/soleil). Il est très utilisé en extérieur par les designers et les architectes.
🏗️ J’ai vu récemment un panneau tout rouillé 🏗️ dans le parc récemment réaménagé qui jouxte ma résidence. Le pauvre, tout neuf et déjà rouillé ! Maaa nooon, c’est de l’acier Corten ! Pas certain que tout le monde connaisse. Je me fend d’un post du coup
✅ Le nom COR-TEN est un acronyme commercial qui synthétise les deux propriétés fondamentales qui distinguent cet alliage des aciers au carbone conventionnels : COR pour CORrosion resistance et TEN pour TENsile strength (résistance à la traction). Conçu à l'origine pour l'industrie ferroviaire (notamment pour réduire l'usure et le poids des wagons de marchandises), cet acier auto-patinable a rapidement séduit les architectes, designers et ingénieurs civils (ponts, façades, sculptures) grâce à ses propriétés physico-chimiques uniques
✅ Visuellement, l'acier Corten présente une couche d'oxyde semblable à de la rouille classique. Pourtant, son comportement face à la corrosion est radicalement différent
✅ Sur un acier doux classique, l'oxydation produit de la rouille. Cette couche est poreuse, hydrophile et s'écaille, permettant à l'oxygène et à l'humidité de continuer à corroder l'acier à cœur jusqu'à sa ruine structurelle.
✅ Sur l'acier Corten, l'ajout d'éléments d'alliage spécifiques modifie la cinétique de corrosion. Dans une phase initiale, l'acier s'oxyde comme un acier standard. Puis sous l'effet des cycles d'alternance humidité / séchage (phase de passivation), les éléments d'alliage migrent vers la surface et catalysent la formation d'une couche d'oxyde de fer dense, amorphe et adhérente : la patine (riche en sulfates et phosphates de cuivre/chrome). Cette barrière étanche bloque la diffusion de l'oxygène vers le métal sain sous-jacent. La vitesse de corrosion résiduelle devient quasi nulle (inférieure à 1µm/an). Pour que cette patine se forme et se régénère, l'acier Corten doit impérativement être exposé aux cycles climatiques pluie/soleil
✅ Sa fabrication repose sur 3 étapes : un laminage à chaud à des températures contrôlées pour affiner le grain austénitique avant la transformation ferritique. Un décapage / sablage à la sortie d'usine, l'acier est recouvert d'une couche de calamine (oxyde de laminage bleu-noir). Pour obtenir une patine homogène, il est indispensable de décaper chimiquement ou mécaniquement cette calamine. Enfin, en architecture, pour éviter d'attendre les 18 à 36 mois nécessaires à la maturation naturelle de la patine (et limiter les coulures d'oxyde sur les bétons adjacents lors des premières pluies), on applique parfois des activateurs chimiques (solutions acides oxydantes suivies d'un rinçage et d'un fixateur de rouille)
✅ Il existe 2 nuances : Le Corten A, fortement allié en phosphore (impureté) et très utilisé en architecture/façade et le Corten B avec une teneur en phosphore réduite aux propriétés mécaniques optimisées sur fortes épaisseurs (structures porteuses, génie civil …)
Les alliages de zinc ou Zamak ⭐⭐
Les Zamak sont très intéressants pour les petites pièces nécessitant une grande précision dimensionnelle et un bon état de surface. Ils peuvent être revêtues avec de nombreux traitements (PVD ...). Ils sont transformés en fonderie sous pression.
📚 Les alliages de zinc 📚- désignés sous l’acronyme Zamak -, constituent une famille de matériaux intéressants pour la production de composants de haute précision
🔎 La nuance ZL3 (Zamak 3) est la plus courante en raison de son excellente fluidité et de sa stabilité dimensionnelle à long terme. La nuance ZL5 (Zamak 5) intègre environ 1% de cuivre (dureté et résistance à la traction accrues). Pour les applications plus sollicitées, les alliages ZA8 et ZA12 élargissent la plage de performance mécanique avec des teneurs en aluminium élevées (8 et 12 %)
🏭 Le Zamak est transformé en fonderie sous pression chambre chaude très productif (tps de cycle réduit). Travaillant à des températures de fusion relativement (380°C à 420°C), ce procédé limite les chocs thermiques des outillages. La durée de vie des moules s'avère importante et peut franchir le cap du million de cycles d'injections, là où la fonderie d'Al arrive à 150 000 inj. environ. Le zamak autorise des tolérances dimensionnelles extrêmement serrées (de plus ou moins 0,02 mm), réduisant les opérations d'usinage secondaire. De surcroît, la fluidité du zinc liquide permet la production en très haute cadence de micro-pièces aux parois minces (0,5 - 1 mm), impossibles à réaliser avec d'autres nuances
📊 Le marché mondial des alliages de zinc pour la fonderie sous pression est diversifié entre plusieurs secteurs industriels. L'automobile capte la part majoritaire avec 34% des volumes injectés (boîtiers de rétroviseurs, composants de serrures, connecteurs électriques, structures de ceintures de sécurité). Le secteur de la construction et du bâtiment absorbe 26% de la production (quincaillerie de fenêtres, poignées de portes, mécanismes de serrurerie de sécurité). L'électronique grand public représente 19% du marché (blindage électromagnétique des boîtiers, connectique miniature). Les machines industrielles 10%, tandis que les biens de consommation et le luxe (bouchons de flacons, maroquinerie…) se partagent les 11% restants
⚠️ Le principal verrou technique du Zamak réside dans sa sensibilité intrinsèque au phénomène de fluage, limitant son usage pour des composants soumis à des contraintes mécaniques continues à des températures inférieures à 80°C. Sa densité de 6,6 g/cm³ peut constituer un frein pour l'allègement structurel, pénalisant le matériau face à l'Al (2.7) ou le Mg (1.7)
💡 Les innovations technologiques majeures s'orientent vers le développement d'alliages à haute tenue au fluage par l'adjonction de terres rares et de silicium, visant à étendre le domaine d'application sous capot moteur jusqu'à 120°C. En parallèle, les industriels optimisent les nuances à haute conductivité thermique et électrique pour répondre aux exigences thermiques des modules de puissance des véhicules électriques.
Le magnésium pour l'allègement ⭐⭐
Les alliages de magnésium trouvent des applications dans le secteur automobile et l'électronique grand public (PC, smartphone ...) en raison de leur faible masse volumique (1.70 contre 2.70 g/cm3 pour l'aluminium).
📚 Les alliages de magnésium 📚ont toujours suscité un intérêt technologique majeur dans l'allègement structurel. C’est en effet le métal le plus léger avec une densité de 1,74 g/cm³.
Les nuances industrielles actuelles sont de la famille Mg-Al-Zn avec l'AZ91D, qui offre le meilleur compromis entre coulabilité et propriétés mécaniques. Les nuances AM50 et AM60 (Mg-Al-Mn) sont privilégiées pour les composants avec une ductilité et une tolérance aux chocs accrues. Pour les applications thermomécaniques sévères, les nuances de la série AE (Mg-Al-RE) intègrent des terres rares pour bloquer le glissement des joints de grains et repousser la tenue au fluage jusqu'à 150°C. Enfin, les alliages avancés à base de zirconium et de néodyme, à l'instar de l'EV31A, s'imposent dans les applications de haute performance où la stabilité microstructurale est critique.
🏭 La transformation des alliages de magnésium est dominée à plus de 90% par la fonderie sous pression (high-pressure die casting) en AZ91, AM50 et AM60, en chambre froide (ou en chambre chaude), en raison de la fluidité exceptionnelle du métal liquide qui permet de couler des parois minces (< 1,5 mm). Le procédé de rhéocasting (dit Semi-Solid), se développe en Asie pour éliminer la porosité et gaz de protection. Le formage et l'extrusion à chaud restent confinés à des niches à cause de la faible formabilité à froid du réseau hexagonal compact du Mg.
🚗 Les marchés clés sont l'automobile et l'électronique grand public, tirés par la chasse aux kg et l'intégration de fonctions. Dans l'automobile, le magnésium s'intègre dans les armatures de tableaux de bord, les volants, les carters de transmission, les colonnes de direction et les structures de sièges, permettant des gains de masse de 30% par rapport à l'aluminium. L'électronique exploite sa rigidité spécifique et sa conductivité thermique pour les boîtiers d'ordinateurs portables et de smartphones. Le secteur médical travaille sur le développement d'implants biorésorbables (MgYREZr) exploitant la dégradation contrôlée du magnésium dans les fluides corporels
🐉 La dépendance géopolitique et la vulnérabilité de la chaîne d'approvisionnement constituent le premier verrou du magnésium. La Chine contrôle en effet plus de 85% de la production mondiale d'éponge de Mg (procédé Pidgeon). Cette hégémonie engendre une volatilité des prix (crise d'approvisionnement européenne de 2021 où les cours ont quadruplé en quelques semaines). De plus, le procédé thermique Pidgeon affiche un bilan carbone très dégradé, générant entre 14 et 20 tonnes de CO₂ par tonne de magnésium produite, ce qui annule partiellement le bénéfice environnemental de l'allègement lors de la phase d'utilisation du véhicule.
💨 L'impact environnemental est accentué par l'usage historique du gaz SF₆ agent de protection contre l'oxydation et l'inflammation spontanée du bain liquide lors de la coulée. Le SF₆ possède un potentiel de réchauffement global 22 800 fois supérieur à celui du CO₂, imposant sa substitution stricte par des alternatives à faible empreinte.
Les innovations majeures s'orientent vers le développement d'alliages intrinsèquement ininflammables (pour le marché de l’aéronautique) par micro-addition de calcium ou d'yttrium, modifiant la structure de la couche d'oxyde superficielle pour la rendre imperméable à l'oxygène.
Les alliages de titane TA6V ⭐
Les alliages de titane ont des performances exceptionnelles (légèreté, biocompatibilité, inerte vis à vis de nombreux produits corrosifs ...) qui leur offrent de multiples applications en aéronautique, spatial et médical. Ils sont transformés par de nombreux procédés : laminage, forge, fonderie ou fabrication additive.
📚 Les alliages de titane 📚suscitent un intérêt technologique majeur pour des applications à haute VA. Ils sont mis en œuvre par divers procédés : laminage (52 %), forge (30 %), extrusion (10 %), fonderie cire perdue (sous vide) et plus rarement moulage sable (5 %) et fabrication additive (3 %)
Les nuances sont le Ti-6Al-4V (dit TA6V), la référence des alliages alpha-beta, le Ti-6Al-4V ELI à haute pureté interstitielle, le Ti-5553 pour les applications structurales de haute résistance, le Ti-6242 ou les intermétalliques TiAl (tenue à haute température)
🚀 Le titane a une résistance spécifique élevée (ratio résistance mécanique sur masse volumique ). Avec une densité d'environ 4,5 g/cm³, ces alliages affichent des caractéristiques de traction et de fatigue comparables, voire supérieures, à celles des aciers de construction à haute résistance, en réduisant la masse structurelle de près de moitié. Cette efficacité massique est d'autant plus remarquable que le module d' Young du titane (autour de 110 GPa), limite la rigidité structurelle mais favorise une flexibilité élastique cruciale pour absorber les contraintes vibratoires et les chocs sans rupture catastrophique
🛡️ La tenue exceptionnelle aux ambiances corrosives et thermiques résulte de la formation instantanée et spontanée d'une couche d'oxyde passivante, principalement constituée de dioxyde de titane TiO₂, d'une épaisseur nanométrique. Ce film protecteur, hautement adhérent et auto-regénérant en milieu oxydant, confère au matériau une immunité quasi totale face aux chlorures, aux acides organiques et au milieux marins corrosifs. En fonderie et forge, apparaît en revanche une couche dite d’alpha-case fragilisante pour la tenue en fatigue. Elle est éliminée par usinage chimique ou mécanique
🧬 La compatibilité biologique ouvre des applications en biomédicale, avec une excellente intégration. La couche d'oxyde de surface minimise les réactions immunologiques et l'adhésion bactérienne pathogène, favorisant le processus d'ostéo-intégration (ancrage du tissu osseux dans les aspérités du métal). Ce comportement est spécifiquement utilisé en fabrication additive, avec des structures "poreuses" de type lattice adaptant le module d'élasticité de la prothèse à celui de l'os
⚙️ Les marchés du titane est en lien avec des secteurs où la défaillance matérielle est proscrite et où les gains de performance justifient les coûts d'élaboration. L'aérospatial et la défense utilisent largement le titane à travers la production de pièces de forge pour les turboréacteurs, les trains d'atterrissage et les éléments de voilure soumis à de hauts cycles de fatigue. Le secteur médical utilise les nuances à haute pureté pour la fabrication d'implants. Enfin, le secteur de la chimie, de l'énergie et du naval exploite la résilience des composants de fonderie dans les échangeurs de chaleur et les systèmes d'extraction avec des fluides très agressifs
L'alliage AlSi9Cu3(Fe) ⭐⭐
L'AlSi9Cu3(Fe), c'est l'alliage d'aluminium le plus utilisé en fonderie sous pression, mais connait-on vraiment tous les avantages qu'il procure : faible bilan carbone, intéractions moule/métal limitées, effet de peau, recyclage circulaire, ..., tenue à chaud amélioré.
📚 L’ AlSi9Cu3(Fe) en fonderie sous pression 📚 est issu 100 % de recyclage. Contrairement aux idées reçues, le Fe n’est pas “réellement” une impureté pour l’alliage EN AC-46000, car une trop faible teneur (< 0.6 %) entraînerait un phénomène de collage (interaction moule/métal) qui pénalise le TRS (arrêt moule pour nettoyage). D’un autre côté, une teneur trop élevée dégrade les caractéristiques mécaniques. L’intervalle 0.8 - 1 % est un bon compromis.
🔎 L’effet de peau est très important en fonderie sous pression. En effet, la microstructure en surface (SDAS) est beaucoup plus fine qu’à cœur de pièce et surtout, les porosités en subsurface (150 µm) sont très réduites. Ce n’est que lorsque l’on supprime cette peau de pièce par usinage que l’on débouche sur des porosités.
🔎Le gros avantage de cet alliage de 2e fusion, issu de recyclage, est son bilan carbone par rapport aux alliages d’aluminium issus de 1er fusion (AlSi7Mg0.6) car on diminue de 95 % le contenu en C02. L’aluminium issu de première fusion est en effet très énergivore (électrolyse), bien que le contenu carbone dépende beaucoup du mix énergétique du pays producteur. L'aluminium issu d’hydroélectricité (ou du nucléaire) est clairement le plus décarboné (4 t CO2/ t Al contre 16 t en moyenne mondial) pour le Canada, Norvège, Islande et France.
🔎Si la métallurgie de l’ AlSi9Cu3(Fe) semble simple, des points durs intermétalliques - cristaux polyédriques (Al-Fe-Mn-Si) - peuvent apparaître dans les bains en lien avec le Sludge Factor (SF = Fe + 2 x Mn + 3 x Cr) associée à une faible température de maintien. Un SF < 1.5 offre une zone de sécurité intéressante alors qu’un SF > 1.8 est risqué. Si l'occurrence des points durs en production est très réduite, la gravité est très importante, avec un impact client fondeur (tout l’usine contaminée) et client (casse des plaquettes de coupe) majeurs
🔎Le Cu (3 %) contenu dans cet alliage - que les Nord-Américains nomment A380 - amène une tenue à chaud indispensable pour les pièces en environnement moteur (tenue au fluage). Le recyclage circulaire (Close-Loop Recycling) est également un gros avantage car plus de 50 % de l’alliage refondu en fonderie provient du recyclage interne (pastille, système d’alimentation, talon de lavage, pièces de démarrage, …), ce qui n’est souvent pas possible avec des alliages dits nobles.
🔎 Dans les innovations à venir, il faut signaler la LIBS (Laser Induced Breakdown Spectroscopy), qui installée chez les recycleurs, permettrait de mieux trier des différents grades d’alliage d’aluminium après broyage. Notons également qu’ ELYSIS (Alcoa et Rio Tinto) aurait mis au point une avancée technologique majeure avec la production d’aluminium à haute intensité d’ampérage sans émission directe de C02 par le remplacement des anodes carbonées traditionnelles par des anodes inertes (rejetant de l’O2). On rêve également d’une technologie pour faire décanter le fer dans les bains de 2d fusion.
Alléger les structures automobiles
L’aluminium permet d’alléger les structures automobiles. Mais quid de son bilan carbone par rapport à d’autres matériaux pour un véhicule thermique et électrique ? A quelle étape un véhicule électrique est-il le plus contributeur en émissions de carbone ?
L’aluminium permet d’alléger les structures, mais quid de son bilan carbone par rapport à d’autres matériaux pour un véhicule thermique et électrique ? Il faut distinguer l’aluminium primaire (issu d’électrolyse), très émetteur de CO2 (15 kg CO2 / kg d'Al en moyenne) avec de forte fluctuation (4 kg en Norvège et Canada lié à l’utilisation d'hydroélectricité) de l’aluminium issu de recyclage (0,7 kg, soit 95 % de réduction). L’acier allié (avec 2 à 3 % de Ni et Cr environ), quant-à-lui, est à 3 kg de CO2.
Le passage de l’acier à l’aluminium permet un gain de poids de 40 % à rigidité équivalente, soit une pièce passant de 1 kg (acier) à 0,6 kg (Al). Le bilan carbone total est la somme du carbone émis à la fabrication et du carbone à l’usage (lié aux émissions de CO2/km). Les véhicules du segment B ou C récents ont un poids moyen de 1 300 kg à 1 500 kg, avec une émission de 0,120 kg/km (soit 120 g/km) en cycle mixte WLTP (Worldwide Harmonised Light Vehicles Test Procedure), soit 0,000092 kg CO2/km/kg.
Avec une hypothèse de durée de vie de 200 000 km, on peut calculer de manière synthétique le CO2 émis par une solution acier, aluminium primaire et aluminium issu du recyclage. L’aluminium primaire permet un faible gain (10 % environ) lié à sa "dette carbone" à la production alors que l’aluminium recyclé permet de réduire de moitié environ le CO2 émis sur l’ensemble du cycle (fabrication et usage). Évidemment, le bilan carbone lié à l’électrolyse bas CO2 impacte fortement ces chiffres et permet de gagner 40 % de CO2 avec de l'Al primaire. Le bilan carbone de l’aluminium approvisionné est un facteur de premier ordre.
Pour les véhicules électriques, pour une Renault Megane E-Tech EV60 (batterie de 60 kWh) d'un poids de 1 650 kg (dont 394 kg de batterie, soit 25 % du poids), les émissions de CO2 sont très réduite sur route (avec le mix énergétique hexagonal) et proche de 0,0000083 kg CO2/km/kg (soit 10 fois moins qu’un véhicule thermique). Donc, paradoxalement, l’utilisation de matériaux non ferreux semble avoir moins d’impact en service. Comme l'électricité est "propre" (en France), le gain de poids durant l'utilisation rapporte beaucoup moins en CO2 économisé. Pour un VE, l'essentiel de la partie semble se jouer pendant la fabrication. Utiliser de l'aluminium recyclé semble alors crucial, et permet un gain de près de 75 %.
Oui, MAIS, il y a un avantage caché : Le vrai gain de l'aluminium sur le VE n'est pas tant le CO2 économisé en roulant, que la possibilité de mettre une batterie plus petite (moins de Lithium, Cobalt, ...) pour une performance identique. La production d'une batterie Lithium-ion est en effet très émettrice. Les études (ADEME, Swedish Environmental Research Institute) estiment l'impact entre 60 et 100 kg de CO2 par kWh produit. Et la réduction du poids d’un VE a donc un double effet, sur le véhicule en lui-même et sur la batterie.
Les nodules de graphite des fontes FGS ⭐⭐
Des nodules de graphite sphériques de petite taille (50 µm) dopent les fontes à graphite sphéroïdal (FGS). Les micro-fissures naissantes sont en effet stoppées sur ces nodules, les contournent et changent de direction, ralentissant considérablement leur propagation.
🎯La fonte à graphite sphéroïdale (FGS) est un matériau composite avec des nodules de graphite dispersés dans une matrice de fonte. Ce sont ces nodules qui lui confèrent des propriétés mécaniques renforcées par rapport à la fonte lamellaire (FGL)
✅La découverte de la FGS a eu lieu de manière quasi simultanée des deux côtés de l'Atlantique en 1947 (International Nickel Company ou INCO aux États-Unis et British Cast Iron Research Association ou BCIRA au Royaume-Uni)
✅Pour obtenir une FGS, on procède à un traitement de sphéroïdisation avec une désulfuration - on s'assure que le taux de soufre est très bas - suivi de l’introduction du magnésium (souvent sous forme d'alliage Ferro-Silicium-Magnésium). Il existe différentes techniques d’inoculation (germes pour multiplier les sites de cristallisation du graphite) : en poche, par fil fourré et enfin In-Mold (chambre spécifique située dans le système d’attaque). On a avantage à inoculer le plus tard possible car l’effet d’inoculation s’estompe avec le temps
✅Le magnésium modifie l'énergie d'interface entre le graphite et le métal liquide. Au lieu de s'étendre en lamelles, le graphite cristallise sous forme de sphères (ou nodules de petite taille 30 à 60 µm) finement réparties dans la matrice
✅ Le Rm passe de 150-300 MPa pour la FGL à 400-800 MPa pour la FGS. L’allongement (A%), très réduit pour la FGL (comportement dit cassant), atteint entre 5% et 18 % pour la FGS avec une limite élastique (Rp0.2) entre 250 et 600 MPa (proche d’un acier). En effet, dans une fonte FGL classique, le carbone précipite sous forme de lamelles (graphite lamellaire) qui agissent comme des amorces de rupture au contraire des nodules dans la FGS qui ralentissent la propagation de fissure
✅Dans la FGL, les lamelles forment un réseau interconnecté qui "hache" littéralement la matrice. Le chemin de propagation d'une fissure est toute tracé le long des lamelles. Dans la FGS, les nodules ⚫sont isolés avec une matrice métallique continue (ferritique, perlitique, …). Pour qu'une fissure progresse, elle doit contourner les nodules et traverser la matrice saine, ce qui dissipe une énergie considérable. De plus, la fissure est déviée par chaque nodule et ne parcourt pas la matrice en ligne droite, ce qui ralentit également de façon importante sa progression. Ces mécanismes confèrent à la fonte GS sa ductilité et sa ténacité (K1C) par rapport à la FGL dans laquelle les lamelles induisent un facteur de concentration de contraintes très important
✅Les caractéristiques mécaniques atteintes dépendent de la matrice (ferrite / perlite) mais aussi de la forme du graphite (défini par le facteur de forme ou type de graphite) et la densité des particules de graphite (en nombre de nodules/mm²). Des nodules dégénérés (chunky graphite) en zones massives dégradent le comportement mécanique.
✅La FGS est en quelque sorte un matériau composite "naturel", avec un petit coup de pouce de l'industriel fondeur.
Les CCA - une révolution conceptuelle ⭐
Bienvenue dans l'ère des CCA. La métallurgie vit peut-être sa 5e révolution conceptuelle. Là où nos alliages traditionnels reposent depuis toujours sur un élément principal "maître" (Fe ou Al ou Cu ou Au), les CCA (Complex Compositional Alloys) cassent les codes.
Bienvenue dans l'ère des CCA 🔬 La métallurgie vit peut-être sa 5e révolution conceptuelle. Là où nos alliages traditionnels reposent depuis toujours sur un élément principal "maître" (Fe ou Al ou Cu ou Au), les CCA (Complex Compositional Alloys) cassent les codes : aucun élément n'est majoritaire.
⏳ La métallurgie a traversé 4 révolutions conceptuelles au cours de sa longue histoire (infographie) :
▶️ L'émergence : Découverte des métaux (~9 000 à 3 500 av. J.-C.) après le bois, la pierre taillée, la céramique (poterie), les textiles déjà maitrisés par Homo-Sapiens
▶️ La diffusion : Usage croissant (~3 000 av. J.-C. à 1750) mais très empirique (compositions fluctuantes, performances non maîtrisées) avec plusieurs familles successivement utilisés (cuivre, or et argent, fer)
▶️ La compréhension (1860 à 1940) : Naissance de la métallographie (H.C. Sorby), on comprend enfin le lien entre microstructure et propriétés mécaniques (Rm, Rp0.2, dureté)
▶️ La normalisation et l’industrialisation (1940 à 2000) : Explosion industrielle après-guerre. Création des normes (AFNOR, EN, ASTM, ISO) avec séparation stricte des familles (Séries 6000 Al, acier, fonte) objet de normes bien distinctes
L’invention des CCA pourrait constituer une 5eme révolution conceptuelle. Quelques dates :
▶️En 2004, c’est le Big Bang avec simultanément Jien-Wei Yeh (Taïwan) qui invente le terme "High Entropy Alloys" (HEA). Il pose l'hypothèse que la haute entropie de mélange stabilise des structures simples (cubique centrée ou faces centrées) et évite les phases fragiles. Et Brian Cantor (GB) qui publie ses travaux sur l'alliage devenu légendaire : FeCrMnNiCo (l’alliage de Cantor)
▶️En 2010 - 2013 , on découvre que ces alliages ne sont pas juste "curieux", ils sont performants avec des propriétés de ténacité exceptionnelles à des températures cryogéniques (là où les aciers classiques deviennent cassants)
▶️En 2014, la communauté scientifique réalise que limiter la recherche à des mélanges "équimolaires" est trop restrictif et apparaît le terme CCA (Complex Compositional Alloys) où on s'autorise des mélanges complexes, pas forcément à haute entropie, pour explorer des microstructures multi-phasées
▶️En 2016 - 2020, c’est le mariage avec la Fabrication Additive (explosion des thèses) car la fabrication additive (L-PBF, DED) permet de fabriquer ces alliages complexes sans les problèmes de ségrégation massive
▶️Et depuis 2020, on utilise massivement le Machine Learning (IA) et les algorithmes génétiques (couplés à une approche Calphad) pour prédire, parmi des milliards de combinaisons possibles, quel CCA sera le plus performant
Les verrous techniques, économiques ou normatifs sont encore nombreux. En effet, les CCA utilisent souvent des "cocktails" (Co, Cr, Ni ou du Niobium) avec un coût/kg important et une dépendance à des métaux critiques. Ce qui peut limiter leur utilisation pour l'instant à des secteurs à haute VA. Mais gageons que les CCA sortiront bien des laboratoires.
Composés intermétallique AlSi9Cu3(Fe) ⭐⭐
En fonderie sous pression (HPDC), l’alliage AlSi9Cu3(Fe) (ou A380 en ASTM) est la référence. Sa richesse en éléments de transition (Fe, Mn, Cr) en fait un système métallurgique complexe avec apparition de phases intermétalliques.
En fonderie sous pression (HPDC), l’alliage AlSi9Cu3(Fe) (ou A380 en ASTM) est la référence. Sa richesse en éléments de transition (Fe, Mn, Cr) en fait un système métallurgique complexe où l'apparition de phases intermétalliques indésirables peut compromettre l'intégrité structurelle et l'usinabilité des pièces.
Le fer est une impureté toujours présente - l'AlSi9Cu3 étant issu à 100 % de recyclage - mais sa forme cristallographique change tout :
✅ Phase Bêta-Al5FeSi (Monoclinique) : Elle se présente sous forme d'aiguilles fines (plaquettes en 3D). Ces aiguilles agissent comme de redoutables concentrateurs de contraintes et limitent les propriétés mécaniques (allongement, Rp0.2) des pièces. Ils peuvent bloquer la circulation du métal liquide en fin de solidification, favorisant les micro-retassures
✅Phase Alpha-Al15(Fe,Mn,Cr)3Si2 (Cubique) : Grâce au manganèse (ratio Mn/Fe > 0.5), on favorise cette morphologie dite en "écriture chinoise" ou polygonale, beaucoup moins préjudiciable aux propriétés mécaniques
La précipitation de ces composés, surnommés "Sludge" (boues métalliques), est régie par la composition chimique. SF = %Fe + 2 x %Mn + 3 x %Cr. Le risque de sédimentation dans les fours de maintien devient critique si ce facteur dépasse 1.5 à 1.8, allié à une température trop basse. Le SF (Sludge Factor) n'est pas seulement une question de chimie, c'est une question de solubilité thermique. Si la température du bain chute sous le Liquidus de la phase intermétallique, des cristaux primaires massifs se forment.
Ces cristaux polyédriques compacts et très durs (Al-Fe-Mn-Si) ont une densité supérieure (3.2 g/cm3) à l’aluminium (2,7 g/cm3) et décantent au fond du four. Lors du puisage (louche ou four doseur), ces "points durs" (hard spots) dits "endogènes" (qui proviennent de l’alliage) sont injectés dans la pièce avec des casse d'outils immédiate en usinage et des impacts rebuts massifs. Pour un SF de 1.7, une température de maintien inférieure à 645°C déclenchera quasi systématiquement la précipitation.
Si l'occurrence des points durs en production est très réduite, la gravité est très importante, ce qui induit une forte criticité avec des impacts fondeur (tout l’usine contaminée en général) et client (casse des plaquettes de coupe) majeurs.
Pour garantir une santé matière optimale, la stratégie doit être triple :
➡️ Contrôle du ratio Mn/Fe pour transformer la morphologie des aiguilles de fer
➡️ Monitoring thermique des fours de maintien : Ne jamais descendre en dessous de la température de précipitation calculée pour un SF spécifique et nettoyage des fours. En effet, un curage régulier évite l'accumulation des boues décantées qui finissent par être prélevées par la louche
➡️Contrôle du réfractaire des fours car des points durs (dit "exogènes") en proviennent
La métallurgie de l’AlSi9Cu3(Fe) est un compromis entre la protection des moules (apportée par le fer) et la ductilité des pièces.
Data en fonderie ⭐
La donnée est partout présente dans les ateliers de production (fonderie, forge) en provenance des capteurs des machines, des contrôles (CND, ...). Quel langage utilisé ? Le Machine Learning, c'est quoi ? La data, on en fait quoi ?
💎 Data en Fonderie / Forge 💎
La fonderie et la forge engendrent un grand nombre de données (centralisées dans l'ERP/MES de l'entreprise) en lien avec :
✅ la mesure des paramètres de fabrication (composition chimique, température de pièce / moule, humidité du sable, pression de compactage, temps de cycle, …)
✅ la qualité des pièces (dimensionnel, non conformité, dureté, tenue mécanique, …)
✅ la planification (OF, APS)
▶️ Une des tendances de fond actuelle est d’utiliser le Machine Learning (ML) pour exploiter ces données de production et anticiper le comportement d’un process, prédire la qualité des pièces (OK/KO) selon leurs paramètres ou plus généralement piloter une production de manière “intelligente” pour augmenter la performance industrielle. Python et Machine Learning (ML) sont alors incontournables.
💻 Le python
J’ai appris le langage Python et le ML pendant la période de confinement du COVID après - comme tout le monde - m’être converti (pour un temps) à la boulangerie/pâtisserie. J’avais fait anciennement du Fortran et du Quickbasic. J’ai hésité entre le R et le Python, tous deux pouvant traiter des données, mais le Python s’est assez vite imposé. Je me suis auto-formé avec la série de 30 vidéos (avec exercices) de Guillaume Saint-Cirgue sur Youtube (Machine Learnia), qui explicite - de manière brillante et accessible - toutes les étapes du ML via Scikit-Learn en Python (nettoyage des données, utilisation des librairies, mesure des Metrics de prédiction …). En 2020, le vibe-coding (avec LLM) n’existait pas et il fallait vraiment comprendre le code. Mais vibe-coder, cela aide énormément aussi !
🔢 Le Machine Learning
Le ML est la branche de l’IA qui cherche à faire de l’apprentissage et extraire des lois de comportement statistiques à partir de données dites tabulaires (tableau de chiffres). Le plus simple étant la régression linéaire (on a 5 points et on prédit où sera le 6eme à partir de son abscisse). Il existe de très nombreux types d'algorithmes : Random-Forest, Réseau de neurone (MLP-Régression ou Classification), XGBoost, Gradient-Boosting. Rien ne permet de dire à priori quel modèle va coller le mieux (plus faible erreur) à un DataSet. En ML, on peut faire de la classification (regrouper des données qui se ressemblent) ou de la régression (prédire quantitativement des points suivants). Dans tous les cas, on doit faire de l’apprentissage à partir d’un grand nombre de données existantes. Le dataset est coupé en deux, une partie pour l’apprentissage (Train Set) et une partie pour le test (Test Set) pour mesurer l’erreur de prédiction et modifier les hyperparamètres du modèle
🏭 Tous les fabrications en fonderie ou forge ne se prêtent pas au ML, en particulier les productions de très petite série (pas assez de données d'entraînement). S'il existe encore de nombreux freins techniques ou organisationnels, la tendance future est clairement au process data-driven.
Thixocoulée et Rhéocoulée ⭐⭐⭐
🕐 Thixocoulée et Rhéocoulée : un retour possible ? D’anciennes technologies de fonderie, qui avaient émergées, peuvent-elles faire leur come-back ? De tels "hivers" technologiques se sont déjà produits avec d'autres technologies.
🕐 Thixocoulée et Rhéocoulée : un retour possible ? D’anciennes technologies de fonderie, qui avaient émergées, peuvent-elles faire leur come-back ?
▶️ La thixoucoulée, ou injection en phase pâteuse (encore appelée SSM - Semi-Solid Metal) et inventée en 1971 par le Prof. Flemings au MIT permettait de limiter les retassures et les soufflures (remplissage plus homogène) et donc d’atteindre de meilleures propriétés de fonderie en HPDC (High Pressure Die casting) et réaliser un TTH. Au prix d’une complexité accrue (billettes réchauffées par induction sur un carrousel), de surcoûts (matière 20 % plus onéreuse) et d’une dépendance aux fournisseurs de matière. Le procédé a connu une active phase de R&D conduisant jusqu’à une production industrielle (A356 / AlSi7Mg0.3) sur quelques centaines de machines HPDC à travers le monde.
▶️ Le procédé a ensuite décliné et a été relancé grâce au Rhéocasting - variante du thixocasting - qui consiste à permettre la production de la matière thixotrope directement par le fondeur (concept du “Slurry Maker” / procédés GISS, SEED, …). Cela évite les surcoûts, la dépendance à un fournisseur de matière et en facilite le déploiement. Mais à ce jour, cela reste une technologie de niche. On estime qu’au niveau mondial environ 1 à 2 % de la production est réalisée en Rhéocasting. Les installations sont cependant en augmentation en Asie.
▶️ La fonderie n’est pas le seul domaine où une technologie a connue des hivers. C’est le cas notamment de l’IA qui a elle aussi connu deux hivers successifs : le premier entre 1974 et 1980 (limitation du Perceptron, premier réseau de neurones et puissance de calcul insuffisante) puis le deuxième entre 1987 – 1993 (effondrement des systèmes Expert). J’ai connu le 2eme car nous avions développé alors en fonderie un système Expert appelé Diadem (identification /causes /remèdes de défauts en HPDC) à base du Shell Guru (CEGOS). Après un premier succès, notre tentative de lancer un projet plus ambitieux (aide au choix d’un matériau/process) s’est heurté au mur de la gestion de la complexité des règles logiques (Si XXX et YYY, Alors ZZZ) provenant de différents Experts au mode de raisonnement différents.
La R&D sur l’IA a continué dans les laboratoires avant d’exploser récemment (2020) sous l’effet d’une triple évolution :
✅ l’évolution des algorithmes (descente du gradient stochastiques, réseau de neurones récurrents et Transformers qui ont aboutis aux LLM),
✅ la puissance de calcul (GPU des gamers, puis TFU pour Tensor Processing Unit et tout récemment le NPU pour neural Processing Unit)
✅ enfin grâce à disponibilité des données d'entraînement en ligne (textes, images, codes, ...) issues d'internet et des réseaux sociaux.
Ces hivers sont sans doute liés à une trop forte attente (Cycle du Hype) et un engouement trop précoce du marché en lien avec une technologie non encore complètement mature.
Il peut en être de même de l’injection en phase pâteuse 😏
indicateur de performance d’un îlot de fonderie sous pression. Comme son nom l’indique (Taux de Rendement Synthétique), il synthétise 3 grandeurs qui sont elles même des ratio : La disponibilité (temps de fonctionnement réel / temps d’ouverture total) x La Performance (Nb de pièces produites / Nb de pièces théoriques) X La Qualité (Nb pièces bonnes / Nb pièces totales). Le TRS est appelé OOE (Overall Equipment Effectiveness) par les anglo-saxons
✅ La fonderie sous pression est un environnement sévère (températures élevées, contraintes thermomécaniques, métal en fusion, automatismes multiples) où atteindre un TRS de 85% est extrêmement rare, mais pas inatteignable. Il est évidemment plus facile d’atteindre 85 % sur un îlot de production très récent, avec un moule neuf et des équipes de maintenance (machine, moule) bien dimensionnées. Il est plus simple aussi d'optimiser le TRS en mono-produit toute l’année (bloc-moteur …) où l’on peut accumuler du REX et plus compliqué avec des changements de produits fréquents. Car pour avoir un TRS à 85 %, il faut 3 ratio à 95 % alors que 3 ratio à 85 % conduisent à un TRS de 73 %. On dira donc qu’un TRS classique est de 65-75 % et qu’un très bon TRS est de 80 % (et +)
✅Ce qui fait chuter le TRS : les pertes de disponibilité machine (arrêt moule, arrêt machine, attente matière), l’augmentation du temps de cycle (dérive de la phase de poteyage, attente robot, opérations non synchronisées …) et enfin la non qualité (rebuts de démarrage en cas d’arrêts trop fréquents, rebuts en cours de cycle constants)
✅Certaines erreurs peuvent être commises : Sur un moule 4 empreintes, si une seule empreinte est défectueuse, une injection produit 3 pièces bonnes et 1 rebut. Compter le nombre d'injections au lieu des "pièces conformes" fausse le calcul. De la même manière, exclure les arrêts programmés (pauses, maintenance préventive, manque de charge client) du TRS si l'îlot était censé produire est une erreur fréquente qui fausse l’indicateur et donne une mauvaise idée de la réelle performance industrielle. Enfin, enlever du calcul du TRS les premières grappes de démarrage sous prétexte que "c'est normal" cache un gisement d'amélioration (thermorégulation préalable du moule, limitations des redémarrages …)
✅Mais au-delà de la valeur en elle-même, ce qu’il est important de mesurer le progrès réalisé au fil des années (à iso-périmètre). Un TRS très dégradé sur un îlot signifie peut-être que cet îlot est hors d’âge et qu’il doit être renouvelé (retrofit / achat). De la même manière, des arrêts machine récurrents liés au moule vont peut-être pousser à renouveler l'empreinte. Il est donc important d’imputer avec précision les causes de non disponibilité afin d’avoir des actions ciblées. Le TRS est en effet un KPI (Key Performance Indicator) trop global qui ne permet pas de comprendre d’où provient la dérive.
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