Technologie washboard en fonderie sous pression d’aluminium : pour des géométries complexes et des exigences de qualité élevées

La porosité a deux causes principales :

• la porosité gazeuse, causée par l’air et les gaz qui ne peuvent pas s’échapper suffisamment rapidement du moule pendant l’injection, et
  
  
• la porosité de retrait, due au refroidissement et à la solidification inégaux du métal.

  Dans un moule standard sans système d’évacuation des gaz performant, les porosités peuvent représenter 3 à 5 % du volume de la pièce moulée. Elles entraînent une diminution de la résistance mécanique, des problèmes d’étanchéité sous pression, des défauts d’aspect et une augmentation du taux de rebut.

  Lors des opérations de post-traitement, ces porosités peuvent notamment devenir visibles pendant l’usinage, en particulier le fraisage, ou compromettre la qualité de la finition du produit, notamment lors de l’application d’un revêtement ou d’autres traitements de surface.

Qu’est-ce qu’un chill vent ou système « washboard » ?

Un chill vent, également appelé « washboard », est un insert spécialement conçu et intégré au moule à l’extrémité du parcours d’écoulement du métal. Il se compose de deux blocs imbriqués entre lesquels se trouve un espace ondulé, en forme de vagues ou de zigzag, d’où son appellation « washboard ». Cette géométrie rappelle les rainures d’une planche à laver traditionnelle.

Ce canal étroit en forme de labyrinthe remplit deux fonctions complémentaires :

Le résultat : un système d’évacuation contrôlé et auto-obturant qui améliore considérablement la qualité des pièces moulées.

Choix du matériau : inserts en cuivre au béryllium (CuBe)

L’efficacité d’un chill vent dépend fortement du matériau utilisé. Notre acier à outils haut de gamme pour moules (Uddeholm Orvar Supreme) présente une conductivité thermique d’environ 27 W/m·K. Les inserts washboard sont fabriqués en alliage de cuivre au béryllium, dont la conductivité thermique atteint environ 240 W/m·K, soit près de neuf fois celle de l’acier à outils.

Cette capacité nettement supérieure à extraire la chaleur permet à l’aluminium liquide qui pénètre dans le canal ondulé de se solidifier presque instantanément au contact des surfaces du washboard. Cette solidification rapide empêche le métal de traverser l’évent et permet surtout au concepteur d’utiliser une ouverture d’évent plus large, généralement de 0,8 à 1 mm, contre 0,05 à 0,1 mm pour les évents conventionnels. Cette ouverture plus importante permet à son tour d’évacuer une quantité nettement supérieure de gaz emprisonnés par unité de temps.

Chill vent fabriqué par InterGuss.

Impact sur le processus de moulage et la qualité

L’intégration de chill vents dans la conception du moule permet de lutter contre la porosité grâce à cinq mécanismes complémentaires :

• Évacuation des gaz : le canal ondulé offre une grande surface d’échange et une ouverture plus large que celle des évents plats. Il permet ainsi à l’air emprisonné de s’échapper efficacement pendant les quelques millisecondes nécessaires au remplissage de l’empreinte. Des études montrent qu’une évacuation optimisée des gaz peut réduire la porosité gazeuse jusqu’à 80 %.
  
  
• Captation des contaminants : le premier métal à atteindre l’extrémité du parcours d’écoulement est généralement le plus froid et le plus chargé en oxydes, notamment en oxyde d’aluminium, une fine couche qui se forme au contact de l’air. Les puits de débordement et les chill vents captent ce métal arrivé en premier, évitant ainsi que des inclusions d’oxydes ne subsistent dans la pièce finie.
  
  
• Équilibre thermique : les washboards contribuent à réguler la répartition de la température dans le moule. Des conditions thermiques uniformes réduisent le risque de points chauds, c’est-à-dire de zones locales qui refroidissent en dernier. Ces zones constituent une cause majeure de porosité de retrait et de défauts de surface, tels que les retassures et les lignes de soudure froide, visibles lorsque deux fronts de métal se rejoignent sans fusion complète.
  
  

• Fiabilité constante de l’évacuation des gaz : les évents plats conventionnels sont sujets à un colmatage progressif. Les débris métalliques et les dépôts d’oxydes s’accumulent au fil des cycles de production, réduisant peu à peu leur efficacité. La géométrie ondulée d’un chill vent, combinée à la solidification qui assure son auto-obturation, permet de maintenir une évacuation des gaz stable et reproductible pendant toute la durée de vie du moule.
  
  
• Compatibilité avec l’évacuation sous vide : la conception des chill vents est entièrement compatible avec les systèmes de fonderie sous pression assistés par le vide. Dans ces systèmes, une dépression est appliquée activement à l’empreinte du moule afin d’extraire les gaz résiduels avant et pendant l’injection. Associé à un système de mise sous vide, le washboard constitue une interface contrôlée qui limite les pertes de vide tout en maximisant l’extraction des gaz. Il devient ainsi possible de produire des pièces présentant les niveaux de porosité les plus faibles possible, y compris dans des alliages pouvant être traités thermiquement ou soudés.

Amélioration du niveau de porosité (photo de droite).

Le résultat final est une pièce moulée présentant un taux de porosité très faible, généralement de 1 % du volume ou moins, des propriétés mécaniques nettement améliorées et un meilleur état de surface. Cela se traduit directement par une réduction du taux de rebut et une augmentation du rendement au premier passage en production.

Conséquences sur les coûts

L’intégration d’inserts washboard augmente le coût du moule pour deux raisons :

• le cuivre au béryllium est nettement plus coûteux que l’acier à outils ;
• la géométrie ondulée nécessite un usinage de précision supplémentaire des blocs d’inserts.

Cet investissement est toutefois compensé par une diminution du nombre de pièces rejetées, une réduction des retouches, moins d’arrêts de production liés aux interventions qualité et la possibilité de respecter des exigences de qualité plus strictes, notamment en matière d’étanchéité sous pression.

Pour les pièces présentant une géométrie complexe, où le risque d’emprisonnement des gaz est naturellement plus élevé, les moules équipés de chill vents constituent une solution technique de référence. Cette approche est couramment spécifiée par les grands constructeurs automobiles et les fabricants d’équipements électroniques (OEM).