Simulation de la déformation des noyaux de fonderie durant la coulée

Modeling of the deformation of resin bonded foundry sand core during casting

• Auteur / Autrice : Hiba Bargaoui
• Direction : Georges Cailletaud, Farida Azzouz
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 31/01/2019
• Etablissement(s) : Paris Sciences et Lettres (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ENSMP MAT. Centre des matériaux (Evry, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure des mines (Paris ; 1783-....)
• Jury : Président / Présidente : Bruno Fayolle
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Georges Cailletaud, Farida Azzouz, Rolf Mahnken, Denis Massinon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jianfu Shao, Florence Dinzart

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Matériaux

Moulage (fonderie)

Mots clés libres

Noyaux de fonderie

Liant résine

Coulée

Simulation par éléments finis

Modèle de comportement thermomécanique

Déformation

Foundry sand core

Resin binder

Casting

Finite elements simulations

Thermomechanical behavior model

Deformation

Résumé

Les cavités intérieures des culasses d'aluminium sont réalisées à l'aide de noyaux de sable, qui sont constitués d'un mélange de silice et d'une résine Polyuréthane. Ils sont placés dans le moule métallique juste avant la coulée. Durant celle-ci, ils subissent la pression métallo-statique et sont soumis à des températures élevées. Sous ces conditions extrêmes, avec l'apparition de parois de plus en plus fines et de formes plus complexes, les noyaux peuvent présenter des déformations qui induisent des défauts dimensionnels sur les pièces finales.Pour contrôler la déformation des noyaux, il faut d'abord disposer d'une caractérisation robuste de leur propriétés thermiques et mécaniques, qui puisse être utilisée dans des calculs de structures simulant le flux de métal liquide, la solidification et les champs thermiques. Cette approche n'est pas encore pratiquée de façon complète dans l'industrie. Une revue de la littérature confirme que cette connaissance n'est que très parcellaire pour le moment.Le travail a donc d'abord été concentré sur la caractérisation expérimentale du comportement thermomécanique et des propriétés thermophysiques des noyaux de fonderie et du liant résine.Ensuite, un modèle de comportement capable de prendre en compte la viscosité du matériau, son endommagement, et surtout son évolution en fonction du temps et de la température en raison de la dégradation thermique du liant résine a été développé.Une éprouvette technologique a finalement été conçue et un protocole expérimental a été mis en place pour mesurer la déformation d'un noyau durant la coulée et de valider numériquement le modèle de comportement sous des chargements thermiques et mécaniques complexes.

The inner cavities of aluminum cylinder heads are made using sand cores, which are made of silica sand and of a polyurethane resin binder. The cores are placed in the metallic mold just before casting. During this stage, the cores are submitted to the metallo-static pressure and high temperatures. Under these extreme loading conditions, with the development of thinner and thinner walls with complex designs, the cores exhibit significant deformation causing dimensional defects in the final cast.To control the deformation of the sand core, it is necessary to possess a robust characterization of their thermal and mechanical properties, that could be introduced in structural computations simulating the flow of the liquid metal, the solidification and the thermal fields. This approach is still not fully in use in the industry. A review of the literature confirms that this knowledge is incomplete for the moment.The work was therefore concentrated on the experimental characterization of the thermomechanical behavior and the thermophysical properties of the foundry cores and Polyurethane resin binder.Then, a behavior model capable of taking into account the viscosity of the material, damage development, and especially its evolution as a function of time and temperature because of the thermal degradation of the binder resin was developed.A technological specimen was finally designed and an experimental protocol has been established to measure the deformation of a core during casting and numerically validate the constitutive equations under complex thermal and mechanical loadings.