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Table des matières
Le Centre des technologies de l'aluminium du CNRC travaille au développement du moulage de métaux à l'état semi-solide. Ce procédé est utilisé pour fabriquer des pièces d'alliage d'aluminium de qualité, destinées à des applications structurales.
Pourquoi l'aluminium semi-solide?
Le moulage sous pression de pièces se fait typiquement à partir d'aluminium liquide, ce qui n'est pas sans problèmes. En effet, l'injection du métal liquide dans le moule est souvent accompagnée d'un entraînement d'air qui crée des défauts dans le produit fini. Le moulage de l'aluminium semi-solide atténue grandement ce problème.
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Pour l'environnementLes travaux des scientiques du CNRC serviront, entre autres, à produire des composantes d'automobile qui permettront d'alléger le poids des véhicules. La consommation d'essence et l'émission de gaz à effet de serre s'en trouveront réduites. |
Applications
Les pièces moulées à partir d'aluminium semi-solide trouvent des applications où les propriétés mécaniques jouent un rôle crucial, notamment dans les composantes des véhicules de transport terrestre telles que :
- supports de moteur;
- bras de suspension;
- vérins et distributeurs hydrauliques;
- rampes d'injection de carburant;
- maîtres-cylindres de freins.
Avantages
Le principal avantage du moulage de l'aluminium semi-solide est l'obtention de pièces de qualité supérieure pour des applications structurales. Les pièces possèdent les caractéristiques suivantes :
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Une réduction des coûts est aussi associée à ce type de moulage :
- cadence élevée de production des pièces;
- plus grande durée de vie des moules.
Procédé
Les métaux semi-solides possèdent une consistance pâteuse leur permettant d'être injectés sous pression dans des moules avec un écoulement minimisant l'entraînement d'air. Les alliages d'aluminium se prêtent bien à ce type de mise en forme qui peut être eectuée par thixomoulage ou par rhéomoulage.
Le thixomoulage nécessite que des lopins soient produits par solidification contrôlée, dans un premier temps, et soient ensuite partiellement refusionnés pour la mise en forme (voir Figure 1).
Le rhéomoulage s'effectue en une seule étape, la mise en forme intervient immédiatement après une solidification partielle de l'aluminium (voir Figure 2).
À Gauche: Figure 1. Séquence du thixomoulage.
À Droite: Figure 2. Séquence du rhéomoulage.
Avec plus de dix ans d'expérience dans le moulage de l'aluminium semi-solide, la compétence des spécialistes du CTA-CNRC est aussi bien en thixomoulage qu'en rhéomoulage. Les travaux en rhéomoulage prennent toutefois une ampleur grandissante à cause de la plus grande simplicité et des moindres coûts de production pour la pâte semi-solide.
Figure 3. Coupe d'un lopin d'aluminium semi-solide.
Simulation sur ordinateur
Le CTA-CNRC possède une expertise en modélisation du moulage sous pression. À cet effet, le remplissage des moules et le transfert de chaleur qui surviennent lors de la fabrication des pièces sont simulés numériquement sur ordinateur avec les logiciels ProCASTtm et CastSol.
Figure 4. Boîtier produit par moulage sous pression d'aluminium semi-solide
et modélisation numérique de l'évolution de son remplissage et des températures.
Les simulations permettent d'optimiser la configuration des moules et de prédire l'effet des paramètres de moulage sur la qualité des pièces. Pour ce faire, une technologie de calculs en parallèle est privilégiée afin que les simulations soient effectuées plus rapidement. Les résultats sont ensuite validés en laboratoire et les paramètres de moulage sont optimisés par des plans d'expérience. Afin de simuler le comportement thermodynamique et cinétique des alliages, les logiciels Thermo-Calc et DICTRA sont aussi employés.
Figure 5. Modélisation numérique d'un fluide à deux phases illustrant l'écoulement
et la répartition de la fraction solide de l'aluminium semi-solide dans une cavité.
Nos installations
Le CTA-CNRC possède un laboratoire de moulage d'une superficie de plus de 200 m2 accommodant des équipements industriels tels que :
- presse de moulage avec une force de fermeture de 5300 kN;
- unités de fabrication de pâte d'aluminium pour le rhéomoulage;
- systèmes de chauffage à induction pour le thixomoulage;
- spectromètre à émission optique;
- fours (capacités de 140 et 700 kg);
- robot à 6 axes avec une charge utile de 45 kg;
- four de traitements thermiques de 0.68 m3.
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Figure 6. Agent technique se préparant à introduire, dans un four de traitement thermique, une pièce moulée à partir d'aluminium semi-solide. |
Figure 7. Laboratoire grande échelle pour le moulage de l'aluminium semi-solide et presse de moulage sous pression. |
Équipements connexes
Afin de caractériser les pièces moulées et le procédé de fabrication, le CTA-CNRC est doté d'équipements permettant de réaliser des analyses approfondies :
- microscope électronique à balayage (MEB);
- système d'analyse de compositions chimiques par rayons X;
- appareils d'analyse d'images;
- équipements de métallographie;
- système électromécanique pour tests de traction avec force maximale de 100 kN;
- système servohydraulique pour tests de fatigue avec force maximale de 50 kN;
- caméra à photodétecteur infrarouge;
- caméra haute vitesse.
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Figure 8. Micrographie d'une section de pièce moulée à partir d'aluminium semi-solide illustrant les globules d'aluminium entourées de constituant eutectique. |
Figure 9. Microstructure illustrant l'aglomération des globules d'aluminium dans le mélange semi-solide. |
Collaborez avec le CTA-CNRC
Les PME et les grandes entreprises gagnent à découvrir le Centre des technologies de l'aluminium du CNRC.
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Grâce à son expertise et à ses équipements, le CTA-CNRC est un partenaire de choix pour vos projets industriels. Intéressés par le moulage semi-solide? Nous réalisons :
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En plus des recherches sur le moulage de l'aluminium semi-solide, les travaux du CTA-CNRC couvrent divers domaines tels que : l'hydroformage, le soudage laser et les adhésifs structuraux. Un laboratoire ultramoderne comprenant des instruments d'analyse métallurgique et physique est également disponible.
Un exemple de collaboration fructueuse
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Le CTA-CNRC et Rio Tinto Alcan ont des activités de développement conjointes reliées à la nouvelle technologie SEED (brevet Alcan) pour la fabrication de la pâte semi-solide utilisée en rhéomoulage. |
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Dominique Bouchard, Ph.D. |
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Alain Simard, ing., M.Sc. |
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