Moulage sous pression d'aluminium structurel : lorsque la pièce doit assurer la cohésion de la voiture.

La première fois qu'on vous montre une pièce de fonderie arrière de soubassement remplaçant soixante-dix pièces en acier embouti, votre premier réflexe est sans doute de chercher la soudure. Il n'y en a pas. Sortie d'une matrice d'un seul tenant, en environ 90 secondes, elle est déjà structurellement capable de résister aux chocs. Ce changement – ​​du passage de pièces embouties assemblées à une seule grande pièce moulée en aluminium – a tout changé. Moulage sous pression SLes fournisseurs doivent en être capables, et cela a changé la conversation que les acheteurs doivent avoir avant de passer une commande d'outillage.

Le moulage sous pression de structures ne se limite pas à un moulage conventionnel de plus grande taille. Les règles de conception, la composition des alliages, les modes de défauts et les exigences des machines diffèrent suffisamment pour qu'un atelier qualifié pour la fabrication de boîtiers et de supports standard ne soit pas automatiquement apte à réaliser un élément de sous-châssis porteur. C'est là que les deux procédés divergent, et c'est pourquoi cette distinction est importante pour toute personne spécifiant ou s'approvisionnant en pièces métalliques moulées de grande taille.

Que signifie réellement « structurel » dans ce contexte ?

La fabrication de structures en métal coulé implique que la pièce supporte la charge principale. Elle ne se contente pas d'enfermer, de fixer ou de protéger un élément ; elle transmet des forces, absorbe l'énergie d'un impact ou fait partie de l'habitacle d'un véhicule. Cette fonction impose aux matériaux des exigences en matière de propriétés que les alliages de fonderie sous pression classiques ne peuvent satisfaire de manière constante.

L'alliage A380 est l'alliage de référence pour le moulage sous pression d'aluminium conventionnel. Il offre une grande fluidité, une bonne aptitude au moulage et une certaine tolérance aux erreurs de mise en forme. Sa résistance à la traction est d'environ 310 MPa à l'état brut de coulée, avec un allongement d'environ 3,5 %. Pour les carters, les supports, les raccords de tuyauterie et la plupart des pièces moulées en aluminium soumises à des charges statiques ou dynamiques modérées, ces valeurs sont tout à fait acceptables. En revanche, pour un renfort de montant B ou une fusée de suspension devant résister à un crash test décalé à 50 km/h sans rupture fragile, cet allongement de 3,5 % pose problème. La pièce se fissure là où elle devrait se plier.

L'alliage Silafont-36 (AlSi9MgMn, équivalent approximatif d'une variante à faible teneur en fer de l'A356) a été développé spécifiquement pour répondre à ce besoin. Grâce à une maîtrise rigoureuse du processus de fabrication et à un traitement thermique T6, il offre un allongement supérieur à 10 % et une résistance à la traction supérieure à 280 MPa, valeurs permettant ainsi au concepteur d'intégrer directement les exigences de résistance aux chocs dans le cahier des charges de la pièce moulée. L'A356-T6 est la norme ASTM équivalente utilisée dans les programmes nord-américains, avec des objectifs de propriétés mécaniques similaires.

Le problème, c'est que les alliages Silafont-36 et A356-T6 sont moins tolérants à la mise en forme que l'A380. Ils sont plus sensibles à la contamination par le fer dans le bain de fusion, plus sujets à la fissuration à chaud lors de changements de section brusques, et nécessitent un cycle T6 contrôlé (mise en solution, trempe, vieillissement artificiel) qui engendre des coûts et des délais supplémentaires, ainsi qu'un risque de déformation par trempe sur les grandes pièces. Un fournisseur proposant cet alliage doit disposer de données documentées sur ses pratiques de fusion, et non se contenter de mentionner son nom sur sa fiche technique.

La question du tonnage des machines

Le moulage sous pression conventionnel de l'aluminium supporte aisément une force de serrage d'environ 800 tonnes. Cela permet de traiter des surfaces projetées jusqu'à environ 600 cm², une taille suffisante pour la plupart des boîtiers et coffrets, la plupart des raccords de tuyauterie et la fabrication sur mesure de supports fonctionnels. Les pièces structurelles dépassent généralement cette valeur. Un plancher arrière moulé pour un véhicule électrique peut avoir une surface projetée de 3 000 cm² ou plus, nécessitant une force de serrage de 4 000 à 6 000 tonnes pour éviter les bavures.

Les machines de cette envergure constituent une catégorie d'équipements industriels à part. On compte moins de deux cents cellules à chambre froide de plus de 4 000 tonnes en service dans le monde. Les fournisseurs capables de les exploiter en production, et disposant de données sur leurs procédés, sont peu nombreux. Si votre pièce entre dans cette catégorie, le premier critère de sélection n'est pas le prix, mais de savoir si le fournisseur possède effectivement la machine, et non s'il envisage simplement de l'acquérir.

Une vérification préliminaire utile : demandez le numéro de série de la presse qui produirait votre pièce, son historique de maintenance et la dernière pièce qu'elle a produite, de surface projetée comparable. Si les réponses sont vagues, c'est une information précieuse.

Épaisseur des parois et conception des nervures — là où le moulage structurel devient plus difficile

Les règles de conception standard pour le moulage sous pression préconisent une épaisseur de paroi minimale de 1,5 mm pour l'aluminium, des sections uniformes et des congés de raccordement sur tous les angles intérieurs. Ces règles restent applicables aux structures, mais leur interaction avec des sections de base plus épaisses exige une attention particulière.

Une pièce moulée de structure présente généralement des parois de base de 2,5 à 5,0 mm, contre 1,5 à 3,0 mm pour les pièces conventionnelles. Des parois plus épaisses impliquent une plus grande quantité de métal à solidifier, une solidification plus lente et un temps accru pour la formation de retassures dans les parties épaisses avant la solidification complète. Les poinçons de compression – des poinçons à actionnement hydraulique qui pénètrent dans les parties épaisses encore liquides pendant la phase d'intensification – constituent la solution standard. Un moule conçu sans poinçons pour une pièce moulée de structure épaisse est un moule conçu pour générer de la porosité interne.

Les règles géométriques des nervures présentées ci-dessus s'appliquent à toutes les échelles, mais elles sont plus importantes pour l'épaisseur des sections structurelles. Une nervure reposant sur une paroi de base de 3,5 mm ne doit pas dépasser cinq fois l'épaisseur de cette paroi, soit environ 17,5 mm. Sa largeur doit représenter environ 60 % de l'épaisseur de la paroi, soit environ 2,1 mm. Le rayon de courbure à l'embase de la nervure doit être au minimum égal à R2. Tout écart par rapport à ces proportions peut entraîner la formation d'un point chaud à la base de la nervure, inaccessible à la goupille de serrage, car la course et le positionnement de cette goupille ont été conçus pour la section nominale et non pour la section surdimensionnée.

Les cavités d'allègement, formées par des noyaux de sel ou de céramique dans certains programmes de conception de structures, permettent de réduire la masse de 25 à 35 % tout en préservant la rigidité de la section. Elles complexifient l'outillage et augmentent le coût. Leur utilisation se justifie lorsque la pièce est suffisamment grande pour que son poids ait un impact significatif sur les objectifs de masse du véhicule.

Coulée sous vide et sous pression réduite à l'échelle structurale

La porosité gazeuse dans une pièce moulée classique est un problème esthétique ou fonctionnel mineur. Dans une pièce moulée structurelle destinée au soudage ou devant passer un contrôle qualité par rayons X, la présence d'hydrogène et d'air emprisonnés est un critère de rejet, et non un simple défaut à surveiller. C'est pourquoi le remplissage sous vide est une pratique courante, et non une option, dans les programmes de moulage de pièces structurelles.

Les systèmes de vide utilisés sur les matrices structurales évacuent la cavité à une pression inférieure à 100 mbar avant l'injection du métal. Ceci réduit considérablement la quantité de gaz susceptible d'être piégée. Associée à une vitesse de remplissage plus lente et mieux contrôlée qu'avec le procédé HPDC conventionnel (les programmes structuraux utilisent souvent une vitesse d'injection de 0,3 à 0,6 m/s, contre 30 à 50 m/s pour les boîtiers électroniques), cette technique permet d'obtenir une pièce soudable et traitable thermiquement sans formation de cloques.

Le cloquage est le mode de défaillance qui relie le traitement thermique T6 et la porosité. Lorsqu'une pièce moulée présentant des porosités gazeuses sous la surface subit un cycle de mise en solution à 500 °C, le gaz se dilate. Si le pore est proche de la surface, il provoque la formation d'une cloque qui endommage la pièce. Le remplissage sous vide et la faible vitesse d'injection constituent les contrôles en amont ; le contrôle radiographique de l'étanchéité à la bulle, selon un niveau de qualité défini, constitue le contrôle en aval.

Qui doit être présent dans la pièce avant la conception du dé ?

Les programmes de fonderie structurale présentent une particularité : les personnes capables de rendre la pièce coulable et celles qui ont besoin que la pièce supporte une charge résolvent des problèmes différents, et si elles ne communiquent pas avant la conception du moule, chacune résout son problème et crée celui de l'autre.

L'ingénieur structure souhaite une épaisseur de section importante aux points de transfert de charge, une géométrie de nervures complexe, des supports intégrés et des tolérances dimensionnelles strictes sur les faces de montage. L'ingénieur procédé fonderie, quant à lui, privilégie des sections de paroi uniformes, un fort déport, une géométrie de nervures douce et la possibilité de positionner la ligne de joint pour une éjection fiable. Les deux approches sont pertinentes. Le concepteur d'outillage qui reçoit les instructions des deux équipes simultanément – ​​et non successivement – ​​conçoit le moule adéquat. En revanche, celui qui reçoit le plan de fonderie après la finalisation par l'équipe structure et à qui l'on demande ensuite de « le rendre coulable » produit un moule dont les pièces ne satisfont personne.

Cette discussion s'intitule l'analyse de fabrication (DFM), et à l'échelle industrielle, son omission engendre des coûts considérables. Retravailler un moule structurel de 4 000 tonnes après que des échantillons T1 ont révélé un point chaud ou une ligne de joint piégeant des bavures dans un alésage critique représente un travail considérable.

Questions à poser à un fournisseur de pièces moulées sous pression en aluminium pour des travaux de structure

Au-delà des questions habituelles concernant la certification des alliages et la propriété des outillages, les programmes de construction structurale nécessitent quelques discussions supplémentaires.