Modélisation et simulation numérique haute-fidélité du procédé Lost Foam

Modeling and high-fidelity simulation of the Lost Foam Casting process

• Auteur / Autrice : Cynthia Hayek
• Direction : Elie Hachem, Rudy Valette
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mathématiques numériques, Calcul intensif et Données
• Date : Soutenance le 24/11/2023
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de mise en forme des matériaux (Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure des mines (Paris ; 1783-....)
• Jury : Président / Présidente : Alvaro L.G.A. Coutinho
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Elie Hachem, Rudy Valette, Stefanie Elgeti, Amine Ammar, Frédéric Costes
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stefanie Elgeti, Amine Ammar

Mots clés

Mots clés contrôlés

Moulage en coquille

Variétés topologiques à 3 dimensions

Mousse de polystyrène

Transfert de chaleur

Modélisation CFD

Mécanique des fluides

Mots clés libres

Mécanique des fluides numériques CFD

Changement de phase

Physique des interfaces

Transfert thermique

Milieux poreux

Cfd

Phase Change

Physics of interface

Heat Transfer

Porous Media

Résumé

Le procédé de moulage par mousse perdue est une forme de moulage par évaporation utilisé pour fabriquer des pièces automobiles, où un modèle en polystyrène expansé, recouvert d'un matériau réfractaire perméable aux gaz et entouré de sable, est remplacé par un métal liquide chaud qui s'écoule. Lorsque le modèle entre en contact direct avec le métal, il se décompose, formant une couche de décomposition intermédiaire entre le métal et le modèle, qui s'évacue à travers le matériau réfractaire. La simulation numérique d'un tel problème multi-échelle et multi-physique entraîne des coûts de calcul indésirables. Dans cette thèse, nous présentons un modèle rapide et convivial adapté aux topologies industrielles en 3D. La vitesse d'advection a été dérivée en couplant plusieurs phénomènes (transfert de chaleur, changement de phase de la mousse, transfert de masse). Le modèle a ensuite été raffiné en abordant des scénarios où le front de vaporisation est déformé, ce qui se produit lorsqu'une fine couche de vapeur 'undercut' se forme près de la paroi. En outre, nous avons étendu le modèle aux situations où le front métallique avance dans une direction opposée à la gravité. Les modèles globaux et locaux ont été résolus numériquement à l'aide de notre bibliothèque d'éléments finis. Divers descripteurs ont été extraits, ce qui a permis de prédire les emplacements potentiels de formation de défauts dans le procédé de coulée.

The Lost Foam Casting process is a form of evaporative-pattern casting selected to manufacture automotive parts, where a polymeric foam pattern, covered by a refractory material permeable to gas and surrounded by sand is replaced by a flowing hot liquid metal. When the pattern enters in direct contact with the metal, it decomposes, forming an intermediate decomposition layer between the metal and the pattern, which evacuates through the refractory material. Modeling such a multi-scale and multi-physical problem lead to undesirable computational cost. In this thesis, we present a fast and user-friendly model suitable for 3D industrial topologies. The advection velocity was derived by coupling multiple phenomena (heat transfer, foam phase change, mass transfer). The model was then refined by addressing scenarios when the vaporizing front is distorted, which occurs when a thin 'undercut' layer of vapor is formed near the wall. Additionally, we extended the model to address situations where the metal front advances in a counter-gravity direction. Both the global and local models were solved numerically using our finite element library. Various descriptors were extracted, enabling predictions of potential defect formation locations in the casting process.