Extrait de l'anthologie de M. Chen Bing
Initialement publié dans la revue Special Casting and Nonferrous Alloys
1. Contrôle de la température
1) Température du moule
La température du matériau de moulage influe directement sur sa viscosité et son pouvoir de remplissage, ce qui exige un contrôle précis et une grande réactivité lors de toute modification de la température. Actuellement, les presses à cire de pointe utilisées à l'étranger sont équipées de réservoirs de stockage de cire en pâte à température contrôlée et compartimentés. De plus, un capteur de température est directement intégré au matériau de moulage afin de contrôler précisément sa température, quel que soit son état, liquide ou pâteux. Ce capteur peut être ajusté à volonté pour s'adapter aux exigences de pressage des différents moules en cire. Une fois la température de consigne modifiée, le système réagit par paliers de 0,5 °C toutes les 3 minutes, avec une fluctuation de seulement 0,3 °C [1].
2) Température de pressage
La plupart des presses à cire ne se concentrent pas sur le contrôle de la température du moule, mais régulent généralement celle du plateau, et donc du moule, en ajustant le débit d'eau de refroidissement à l'aide d'une vanne manuelle semblable à un robinet. La conduction thermique entre le plateau et la presse étant peu fiable, et l'épaisseur de la paroi de la presse influençant fortement la température de la cavité, cette méthode ne permet pas un contrôle précis de cette dernière. Pour améliorer la régulation de la température au sein du moule, il convient d'envisager les méthodes suivantes :
Mesurez la température du plateau à l'aide de thermocouples et décidez d'ouvrir ou de fermer la vanne du circuit d'eau de refroidissement en fonction de cette température. Vous obtiendrez ainsi un contrôle bien plus précis de la température du plateau. Howmet TMP (États-Unis) propose des panneaux de commande avec un système de chauffage/refroidissement utilisant une résistance électrique pour le chauffage et un refroidisseur pour le refroidissement [1]. Bien entendu, la transition rapide entre le chauffage et le refroidissement peut entraîner des fluctuations de la température de surface du plateau, notamment si celui-ci ne comporte qu'un seul thermocouple.
Une meilleure façon de contrôler la température du plateau consiste à utiliser un thermostat pour réguler et maintenir constante la température de l'eau de refroidissement. La température du plateau est ainsi maintenue dans la plage requise. Si chaque régulateur de température possède plusieurs ports d'entrée et de sortie, il est possible de contrôler simultanément la température de plusieurs plateaux. Malheureusement, aucune de ces méthodes ne permet d'éviter l'influence des échanges thermiques entre le plateau et la presse, ce qui rend le contrôle de la température de la presse encore peu fiable. La meilleure façon de contrôler la température de la cavité de la presse est de la réguler indépendamment du plateau. Des thermocouples sont installés au plus près de la surface de la cavité dans le corps de moulage de la presse, et le thermostat régule directement la température de l'eau de refroidissement afin de maintenir précisément la température de la cavité dans la plage requise. En réalité, cette méthode est utilisée depuis longtemps dans les presses à injecter les plastiques. La raison pour laquelle elle n'a pas encore été généralisée dans moulage de précision Le principal problème réside dans le coût. Il est recommandé de réduire ce coût en perçant des trous ou des fentes dans le moule de presse existant, en installant des canaux d'écoulement et des résistances électriques. Un même type de canal d'écoulement peut être utilisé à l'arrière du moule pour différentes géométries de cavité, et un seul régulateur de température est nécessaire. Il est primordial d'isoler le dessus, le dessous et même les côtés de la presse afin que les variations de température entre la presse et son environnement n'affectent pas son fonctionnement.
2. Contrôle de la pression et du débit
Parmi les nombreux paramètres de procédé à contrôler lors du moulage, la maîtrise de la pression et du débit est primordiale, hormis la température. Bien que l'écoulement du matériau de moulage soit indissociable de la pression, ces deux paramètres sont étroitement liés. Cependant, l'état d'écoulement du matériau dépend non seulement de la pression, mais aussi de sa viscosité et de sa résistance lors de l'injection. Il s'agit donc de deux concepts distincts, ayant des effets différents sur la qualité des moules en cire. Leur contrôle doit être effectué séparément. Généralement, la pression est régulée par des vannes hydrauliques, tandis que le débit l'est principalement par des régulateurs de débit. À l'étranger, les équipements de pression pour la cire sont souvent classés selon plusieurs catégories, en fonction de la pression et du débit [2].
1) Contrôle de la pression uniquement
Le circuit hydraulique ne comporte qu'un régulateur de pression et aucun régulateur de débit. Lors de l'utilisation de ce type de presse, la moindre variation de la température du matériau du moule et de la température ambiante (température de la pièce, température du fluide hydraulique, température du cylindre de cire, etc.) entraîne une variation du débit du matériau du moule, ce qui affecte la qualité du moule en cire. De plus, il est impossible d'obtenir un faible débit à haute pression, et inversement. Si un faible débit est requis pour éviter les bulles d'air et une haute pression pour obtenir une bonne qualité de surface, ces exigences sont incompatibles. Actuellement, ce type d'équipement est rarement utilisé aux États-Unis et en Europe.
2) Régulation simultanée de la pression et du débit, mais sans compensation de pression
Par rapport au système précédent, une vanne de régulation de débit est ajoutée au circuit hydraulique. L'avantage est qu'un faible débit peut être obtenu à haute pression. Cependant, en raison de l'absence de compensation de pression, des débits élevés ne peuvent être atteints à basse pression. De plus, les variations de pression et de température influent sur le débit, ce qui affecte la qualité du moule en cire.
3) Contrôle simultané de la pression et du débit, plus compensation de pression
Il s'agit du système de contrôle équipant les principaux modèles de presses à cire étrangères. La vanne de régulation de débit du système permet d'augmenter ou de diminuer la vitesse d'injection. En cas de légère variation de la résistance à l'écoulement ou de la température, le compensateur de pression intégré à la vanne de régulation ajuste automatiquement la pression et le diamètre de la vanne afin de réguler précisément le débit de matériau de moulage. Ainsi, dans la plage de pression prédéfinie, le débit de moulage reste constant quelles que soient les variations de température et de résistance à l'écoulement. De plus, le débit peut être ajusté librement, sans contrainte de pression. Ceci permet de remplir le moule à faible débit en début de processus afin d'éviter les turbulences et le dégazage, puis d'augmenter progressivement le débit pour obtenir un moule en cire lisse et plein, sans ségrégation à froid en surface.
4) Contrôle séparé de la pression et du débit dans les deux sens, plus contrôle de pression à deux étages
Le contrôle dit « à double mode isolé » (DIMC) signifie que les deux paramètres du procédé, la pression et le débit, sont contrôlés de manière totalement indépendante. Le contrôle de pression en deux étapes signifie que la pression de remplissage et la pression de compactage sont séparées et contrôlées séparément (figure 3-1) [3]. En général, tout en évitant les projections, la pression de remplissage doit être suffisamment élevée pour réduire le temps de remplissage et minimiser la solidification du matériau du moule, garantissant ainsi un remplissage complet et un contour net du moule en cire polie. La pression de compactage doit être réduite de manière appropriée afin d'éviter le retrait et la déformation de la surface du moule, d'assurer sa stabilité dimensionnelle et de limiter les bavures. Il est important de souligner que lorsque le volume de la cavité de compactage est rempli à 95 % à 99 %, et non à 100 %, la pression doit être immédiatement réduite (figure 3-2). L'objectif est d'éviter l'impact (impulsion de pression) du matériau de la matrice remplissant la cavité, susceptible d'endommager le noyau et d'accroître les bavures de frottement du moule en cire, et de faciliter l'évacuation de l'air résiduel dans la cavité afin d'éviter la formation de bulles d'air dans le moule. Le système AFC (Accelerated Flow Control), développé et breveté par Howmet-TMP, est un exemple typique de ce type de système de contrôle.
3. Contrôle informatisé du processus d'injection
Le cycle général du processus d'injection est court, généralement de une à quelques minutes, mais nécessite le contrôle de nombreux paramètres, notamment la pression, le débit, la température et le temps. Dans un laps de temps aussi réduit, il est difficile de s'appuyer sur un contrôle manuel précis. Avec le développement rapide de l'informatique, les systèmes de contrôle informatisés sont devenus indispensables.
Contrôle par programme informatique
La société américaine MPI a développé la machine de pressage de cire automatique à commande par micro-ordinateur en 1992, lors du 40e congrès annuel de l'ICI et du 8e congrès mondial de la fonderie de précision (Figure 3-3) [4]. Cette machine est équipée d'un système de commande informatisé permettant de prérégler tous les paramètres du moule.
Processus de moulageSur l'écran de l'ordinateur, l'opérateur peut facilement accéder aux programmes existants et les lancer. La machine fonctionne automatiquement, sans intervention manuelle, conformément au programme. En cas d'anomalie, l'ordinateur alerte automatiquement l'opérateur et l'invite à résoudre le problème rapidement. Le système peut mémoriser jusqu'à 500 jeux de moules avec tous les paramètres du processus d'injection, permettant ainsi à l'opérateur d'ajuster facilement ces paramètres lors de l'installation de chaque jeu de moules. Cependant, ce système de contrôle assure principalement la commande de la presse à cire selon le programme prédéfini [4].
Contrôle informatisé en temps réel
Au milieu des années 1990, Howmet-TMP a mis au point le système de servocommande CFAFC (CompuFlow Accelerated Flow Control), une innovation unique qui combine sa technologie AFC brevetée avec la commande informatique. Ce système utilise un capteur de pression de haute précision et un diviseur de pression linéaire pour détecter la pression de déclenchement générée lors du remplissage du compacteur. Le signal est ensuite transmis instantanément au servocommande, qui abaisse immédiatement la pression pour démarrer la phase de compactage, assurant ainsi une régulation de pression en deux étapes. La pression et le débit peuvent être contrôlés individuellement et par étapes avec une excellente reproductibilité. La figure 3-4 présente un compacteur à cire équipé du système de commande CFAFC de Howmet-TMP [1].
En 1999, lors de la réunion technique annuelle de la JACT au Japon, MPI a présenté le développement réussi d'une presse à cire équipée d'un système de contrôle ADS (Automatic Die Setup) [5]. Ce système ADS permet non seulement de mémoriser tous les paramètres d'injection de milliers de moules, consultables et rappelables à tout moment par l'utilisateur, mais aussi d'assurer un contrôle de température plus précis (précision de ±0,25 °C) et de déterminer en temps réel le volume de matériau injecté dans la cavité, afin d'ajuster le débit d'injection en conséquence. Le système ADS enregistre non seulement tous les paramètres du processus de moulage, permettant à l'utilisateur de les consulter et de les rappeler à tout moment, mais il offre également un contrôle de température plus précis et sensible (précision de ±0,25 °C), ainsi que la capacité de déterminer en temps réel le volume de matériau de moulage injecté dans la cavité et d'ajuster son débit en conséquence. L'opérateur peut ainsi connaître le volume de matériau nécessaire à la fabrication d'un moule en cire et anticiper le volume injecté avant l'apparition de défauts, afin d'ajuster le débit en temps opportun et d'éviter les défauts. Le système de contrôle ADS de MPI propose également deux modes de pression : remplissage et compactage. Lorsque le matériau injecté dans la cavité atteint 95 % à 98 % du volume de celle-ci, le système bascule automatiquement sur une pression de compactage inférieure [5]. Les figures 3-5 et 3-6 présentent respectivement les presses à cire semi-automatiques et entièrement automatiques de MPI équipées du système de contrôle ADS.
Actuellement, la plupart des panneaux de commande des presses à cire étrangères de pointe sont équipés d'écrans tactiles LCD, conviviaux et faciles à utiliser, ce qui simplifie grandement le réglage des paramètres de processus lors du changement de moules. Les figures 3-7 et 3-8 présentent respectivement les écrans des panneaux de commande MPI et Howmet-TMP.
4. État des lieux et lacunes des presses à cire domestiques
Actuellement, outre la précision d'usinage des pièces, la qualité des composants électriques et hydrauliques, la durée de vie et le service après-vente, les presses à cire chinoises présentent de nombreuses lacunes. Sur le plan technologique, le système de contrôle, élément clé de la presse, demeure relativement peu développé. En effet, le flux de cire dans le moule est entièrement soumis à la pression, ce qui signifie que le processus de remplissage est incontrôlable et laissé au hasard. Ce type d'équipement répond difficilement aux besoins des moules à cire simples et de petite taille, et s'avère insuffisant pour le pressage de moules complexes ou à noyau céramique. Il n'est donc pas surprenant que, ces dernières années, de nombreuses entreprises du secteur militaire chinois aient investi massivement dans l'importation de presses à cire. Dans le contexte de la mondialisation économique et de l'adhésion de la Chine à l'OMC, les entreprises chinoises de fonderie civile et commerciale sont confrontées à l'impératif d'améliorer rapidement la qualité de leurs produits. L'expansion aveugle et l'augmentation de la production, autrefois dictées par la volonté d'accroître sans discernement, appartiennent désormais au passé. Malgré l'ambition de conquérir le marché international, les presses à cire chinoises présentent encore des lacunes. Par exemple, il est difficile d'obtenir un résultat optimal pour certains moules en cire présentant d'importantes variations d'épaisseur ; la stabilité dimensionnelle des moules (notamment au niveau des surfaces de joint) est médiocre ; le noyau se casse facilement lors du pressage de la cire… Concrètement, la solution pour améliorer les presses à cire chinoises ne réside pas dans une automatisation complète ou un contrôle informatisé. Il convient plutôt de concentrer les efforts sur le perfectionnement du système de contrôle, véritable centre névralgique de la presse. En s'inspirant des expériences étrangères, la première étape consiste à améliorer la précision du contrôle de la température. Le débit et la pression, deux paramètres de procédé, sont contrôlés séparément et indépendamment, permettant ainsi un contrôle plus efficace du remplissage et du débit, et par conséquent une régulation de pression en deux étapes. Ceci afin de répondre aux besoins de l'industrie chinoise de la fonderie de précision en matière d'amélioration de la qualité et de la stabilité des produits. Seule une base solide permet une telle régulation. L'automatisation et le contrôle informatique revêtent une importance et une valeur considérables. À cette fin, une étude approfondie des technologies et expériences étrangères de pointe est indispensable. Par ailleurs, il convient de noter les nombreuses similitudes entre la presse à cire et la presse à injecter utilisée dans l'industrie des plastiques. Cette dernière étant bien plus importante que l'industrie de la fonderie de précision, le développement de la presse à injecter y est naturellement beaucoup plus rapide, offrant ainsi de nombreuses opportunités d'apprentissage. Certains concurrents étrangers ont d'ailleurs reconnu que nombre de leurs idées et concepts de conception pour la presse à cire provenaient des premiers équipements de moulage par injection [3].
