Un bel avenir pour le moulage de précision
   
Le projet ADVACAST a réuni quatre entreprises et trois équipes de recherche universitaires d'Allemagne, de France, de Grèce et du Portugal dans le but de développer et de tester des alliages d'aluminium à hautes performances et des techniques de moulage de pointe. Le projet a produit un nouvel alliage et apporté des améliorations au procédé SOPHIA de moulage de précision qui trouveront des applications commerciales dans l'aéronautique et le secteur automobile en permettant la conception de composants plus légers et plus économiques. En fin 1996, le nouvel alliage était déjà utilisé dans l'industrie pour la production de moteurs d'avions et de boîtes de vitesses de voitures de haute performance.

Les problèmes écologiques et commerciaux exercent une pression continue et croissante sur les concepteurs et les constructeurs aéronautiques. La généralisation des voyages aériens peu coûteux entraîne l'accroissement des émissions polluantes des avions et des contraintes liées aux coûts de fonctionnement pour les transporteurs. Par conséquent, les constructeurs aéronautiques ont réalisé des efforts importants pour mettre au point des moteurs plus propres et plus économiques en carburant. Ces dernières années, la consommation de carburant par "kilomètre-passager" a, en fait, baissé de 25% en moyenne. Mais la pression se maintient.
Un des éléments-clés de la stratégie adoptée par les constructeurs aéronautiques pour répondre aux besoins des opérateurs consiste à réduire le poids des composants fonctionnels en alliage d'aluminium, et notamment des pièces de moteur. Les composants en alliage complexes qui subissent de fortes pressions mécaniques sont actuellement fabriqués au moyen de techniques d'usinage longues et coûteuses. On fabrique d'abord les composants de base et on les assemble ensuite avec des boulons, des rivets et des soudures pour produire les pièces finales. Ces pièces sont loin d'être parfaites, tant en ce qui concerne le poids que les matériaux requis. Une des solutions possibles, envisagée depuis longtemps, est de recourir au moulage plutôt qu'aux techniques d'usinage pour produire ces pièces de forme complexe. Cependant, les alliages et les techniques de moulage traditionnelles ne répondent pas tout à fait aux exigences de fabrication: les tolérances en termes de dimensions et de propriétés mécaniques sont insuffisantes.
Il est possible d'améliorer les performances des pièces moulées en alliage d'aluminium en perfectionnant la technique de moulage et en modifiant la composition de l'alliage. Le projet ADVACAST du programme BRITE-EURAM a débouché sur des améliorations substantielles des techniques de fabrication et sur la mise au point d'un nouvel alliage d'aluminium dont les propriétés mécaniques sont meilleures, particulièrement à haute température, si bien que sa viabilité industrielle a été démontrée.

Contrôle de fabrication

Les techniques dites de "moulage de précision" impliquent la fabrication d'un modèle en cire de la forme recherchée - légèrement modifiée pour tenir compte de la contraction de l'alliage pendant le refroidissement - qui est soumis à une suite d'opérations de revêtement par immersion pour produire un moule en céramique. Ces procédés sont évidemment un art en soi, puisque le moule de céramique doit avoir exactement les propriétés mécaniques et de conductibilité thermique adaptées à la forme spécifique. Le moule de céramique est ensuite réchauffé et la cire fondue peut être éliminée. Les résidus d'hydrocarbone sont enlevés par la vaporisation d'un oxydant à haute température de façon à obtenir le moule définitif.
Les techniques de moulage et de refroidissement, appliquées soit sous vide, soit dans une atmosphère d'azote (car les alliages d'aluminium en fusion sont potentiellement réactifs à la présence d'oxygène), ont un effet déterminant sur les propriétés mécaniques de la pièce achevée. Sans entrer dans les détails, on peut dire que plus le refroidissement est rapide et meilleure sera l'opération. Les techniques classiques de moulage de précision ne permettent qu'un refroidissement relativement lent, qui peut entraîner la formation de structures microporeuses dont l'élongation et la résistance mécanique sont insuffisantes. SOPHIA, la technique brevetée de moulage de précision permet d'obtenir un refroidissement plus rapide, qui débouche sur un meilleur contrôle de la solidification au cours des moulages et produit des microstructures plus fines, dont les propriétés sont nettement supérieures. De plus, ce refroidissement plus rapide autorise une plus grande liberté de composition de l'alliage, ce qui a permis à ADVACAST de mettre au point l'alliage "A357+Cu", qui s'est finalement révélé performant. En tant que constructeur aéronautique, le coordinateur du projet, Daimler-Benz Aerospace (DASA) était conscient du potentiel économique de la technologie de moulage de précision, mais aussi de ses insuffisances techniques. DASA a lancé le projet ADVACAST en 1991, avec la fonderie française Ciral (du groupe Pechiney), la société Thyssen en Allemagne, Mirtec, une PME grecque de consultants spécialisés dans les essais industriels, l'informatique et les matériaux, et les universités de Lisbonne, Munich et Patras en Grèce.

A la recherche du moulage performant

Le projet a commencé avec la fabrication, par la société Thyssen, de modèles de cire et de moules en céramique pouvant être utilisés à la fois avec les techniques classiques et avec SOPHIA. Les qualités de moulage des alliages expérimentaux et les tests de reproductibilité ont été étudiés par DASA, Thyssen, Ciral et Mirtec, à l'aide de techniques non destructives telles que les rayons-X et le ressuage. Cette partie pratique du projet était soutenue par une modélisation théorique des propriétés thermodynamiques et mécaniques, réalisée par Mirtec et les universités associées.
Les alliages expérimentaux étudiés appartiennent à deux groupes principaux : les alliages de base, obtenus par modification de l'alliage AlSi7Mg (A357), et les alliages de pointe, obtenus par modification des alliages A1-Zn et A1-Cu (A201 et A224).
Les techniques traditionnelles de moulage de précision et la technique SOPHIA ont été optimisées avec les différents alliages par les sociétés Thyssen et Ciral, qui ont surtout veillé à réduire la durée des processus tout en conservant les performances des alliages. Des échantillons ont alors été soumis à un programme de tests exhaustif afin d'évaluer leur élasticité à température ambiante et à haute température, leur résistance à la fatigue, les caractéristiques de propagation des fissures, la résistance aux fractures et les réactions à la corrosion et au fluage. En fonction de ces résultats, les formules les plus prometteuses ont été sélectionnées pour être soumises à des tests en atelier portant sur les exigences pratiques de l'usinage et la compatibilité avec les techniques standard de traitement des métaux, telles que le décapage, l'anodisation, ou la réparation par soudure.

Qualités supérieures

Les résultats obtenus avec le groupe d'alliages de pointe ont sans doute été un peu décevants, car aucune méthode concurrente de commercialisation ne s'imposa naturellement. Il en est allé tout autrement, en revanche, pour les alliages de base. L'alliage A357+Cu développé par les partenaires présente, en comparaison avec l'alliage standard A357, des caractéristiques comparables à température ambiante mais un comportement très supérieur en matière d'élasticité et de fluage à haute température (200°C). Le nouvel alliage est facile à mouler avec le procédé SOPHIA et peut être réparé par soudure sans dégradation de ses propriétés.

Nouvelles applications

Les partenaires industriels ont bénéficié du projet de façons différentes mais complémentaires. Daimler-Benz Aerospace a approfondi ses connaissances des procédés de moulage traditionnels et du procédé SOPHIA pour les structures aéronautiques. Grâce au projet ADVACAST, l'utilisation de pièces moulées est appelée à se développer dans l'avenir, tant pour des raisons d'économie que d'efficacité.
Mirtec s'occupe de promouvoir sur le marché ses compétences en matière de tests destructifs et non-destructifs, de calcul de diagramme de phases et de modélisation thermodynamique, acquise au cours des recherches.
Ciral et Thyssen ont amélioré le procédé SOPHIA, en le dotant notamment d'un système automatisé de contrôle de la fabrication, si bien qu'il est maintenant réellement utilisé dans l'industrie. Les deux sociétés cherchent à promouvoir l'utilisation de cette technologie de moulage en dehors du marché traditionnel de l'industrie aéronautique, dans des secteurs tels que la construction automobile. La valeur du procédé utilisant l'alliage A357+Cu a été démontrée au niveau industriel. Il est utilisé avec succès pour la production d'éléments des réacteurs BR710 (où il a permis de réduire le poids de 20% et le coût de 60%) et pour la fabrication de pièces des boîtes de vitesses de voitures de Formule 1.

Article issu du programme européen : Technologies industrielles et des matériaux (BRITE-EURAM/CRAFT/SMT)
http://europa.eu.int/comm/research/success/fr/success_fr.html