Créé le : 03/08/2009
Organisé par le Centre Technique des Industries de la Fonderie (CTIF, France) et le Centre Québécois de Recherche et de Développement de l'Aluminium (CQRDA, Canada) dans le cadre de la mission Aluminium France-Québec, le congrès TransAl 2002 réunissait environ 250 participants, la majorité français et canadiens mais également italiens, allemands, suisses etc. Un espace d'exposition comprenant une quarantaine de stands tenus par des fournisseurs de produits et de services du domaine de la fonderie était proposé, en parallèle aux conférences techniques. Enfin, des visites industrielles étaient organisées à l'intention des congressistes dans des entreprises ou des laboratoires de recherche de la région Rhône-Alpes.
Deux ans après TransAl 99 qui avait pour thème l'aluminium liquide et sa mise en forme, TransAl 2002 traitait des questions relatives à la métallurgie et aux procédés de moulage et de forgeage du métal à l'état semi-solide. Une place importante était également donnée aux applications de l'aluminium en général et des pièces moulées ou forgées en particulier dans l'industrie des transports : automobile, véhicules industriels, aéronautique, ferroviaire.
Les communications présentées sur ce thème n'étaient pas spécifiques aux pièces moulées ou forgées comme certains titres pouvaient le laissaient penser mais de façon plus générale à l'ensemble des demi-produits en aluminium, qu'ils soient laminés, filés, forgés ou moulés.
Après avoir rappelé que 8,5 millions de tonnes d'aluminium ont été consommées en l'an 2000 pour les applications aux différents modes de transport, soit 30% de la consommation mondiale, dont les 2/3 dans le domaine de l'automobile, J.N. Dargnies (Pechiney) a estimé qu'en Europe, la masse d'aluminium par véhicule automobile passerait en moyenne de 85 kg en 2000 à 125 kg en 2005. Les estimations de croissance seraient comparables aux Etats-Unis et au Japon. Bien que desservi par sa réputation d'être un métal relativement cher (1,8 à 2,8 Euros/kg contre 0,45 à 0,6 Euros/kg pour l'acier), le recours à l'aluminium s'impose en raison de sa faible densité, pour compenser l'augmentation régulière de la masse des véhicules (+10 à +15% par comparaison au modèle précédent) et pour répondre aux objectifs de la réglementation européenne en matière de réduction des consommations (5,6l/100 km d'ici à 2008 et 4,8l d'ici à 2012), des émissions polluantes (140 g CO2/km d'ici à 2008 et 120g CO2/km d'ici à 2012) et de recyclabilité , le taux de recyclage en fin de vie devant atteindre 85% en 2006 et 95% en 2015.
Déjà présent depuis plusieurs années dans les blocs motopropulseurs (culasses, carters, pistons
), l'aluminium trouve aujourd'hui de nouvelles applications dans les liaisons au sol (éléments de suspension, traverses, freins, roues
), les équipements et certains éléments de carrosserie (capots, portes, pavillons
). Une variété d'applications sur des modèles anciens ou actuels (Audi A8 et A2, Ford, BMW
) ont été citées par K.H. Von Zengen (EAA) qui s'est livré à une présentation générale de l'aluminium dans l'automobile appuyée par de nombreux exemples de pièces et de procédés de fabrication.
A ces exposés optimistes et triomphants sur l'avenir de l'aluminium dans l'automobile a succédé un discours plutôt modéré de G. Maeder (Renault) pour qui tout n'est pas rose pour le métal gris car la concurrence est rude avec l'acier. L'allègement est certes une nécessité pour réduire les consommations (- 10% de masse = - 5 à 6% de consommation) ainsi que les émissions polluantes mais d'autres solutions existent telles que la réduction des frottements, l'amélioration de l'aérodynamisme, l'injection directe, etc. Les difficultés techniques mises à part (emboutissage, retour élastique, endurance des électrodes de soudage, traitements de surface, etc.) mais qui trouvent des solutions, le vrai problème posé par l'aluminium est d'ordre économique. La solution aluminium est en effet toujours plus chère que la solution acier (de 5 à 10 Euros par kg gagné) et, si le gain est faible pour le client en économie de carburant (environ 200 Euros par an ), il correspond à un surcoût de l'ordre de 300 millions d'Euros pour le constructeur ! G. Maeder conclue qu'il faut s'attendre certes à une croissance de l'aluminium qui peut être estimée à 10 - 15% en 2010 contre 5 7% aujourd'hui mais les véhicules tout aluminium resteront exceptionnels et réservés à des niches.
Toujours dans le domaine de l'automobile, M. Barthole (PSA) met l'accent sur la nécessité de réduire la consommation et de casser la spirale infernale d'augmentation de masse en misant sur un concept d'allègement global à surcoût minimal. Après une description rapide de la répartition des masses (structure 30%, équipements 25%, trains roulants 15%, moteur 15%, boite de vitesse, transmission 5%) et des matériaux utilisés (ferreux 65%, plastiques 10%, non ferreux 10%, caoutchouc 10%), il insiste sur le besoin de réduire la masse à l'avant des véhicules par une politique de down sizing au niveau des moteurs et trains roulants. Il met en avant la nécessité de s'appuyer, en conception sur l'ingénierie simultanée et, en fabrication sur une politique de plates-formes et d'organes adaptés à des volumes élevés et stables à moyen terme. Dans la seconde partie de son exposé, M. Barthole montre que le constructeur doit avoir une bonne vision des produits et des volumes prévisionnels, de façon à prendre à temps les décisions de Make or Buy avec les acheteurs pour que se construisent les stratégies industrielles des sites de production internes ou externes. Il termine en évoquant l'évolution du rôle des fondeurs qui devront à l'avenir, vers l'amont prendre en charge la conception, le prototypage, la validation et l'industrialisation des pièces et, vers l'aval, l'usinage et le montage partiel. Cette évolution doit s'inscrire dans un contexte fort d'internationalisation et de compensation au plan local.
Pour en finir avec le chapitre des généralités et applications de l'aluminium à l'automobile, il convient enfin de citer la présentation très remarquée de B. de Gélas (Pechiney) qui a montré la contribution du recyclage à la couverture des besoins actuels et futurs en aluminium de la filière automobile en Europe. Après une analyse des différentes sources d'aluminium recyclé et d'aluminium primaire, l'auteur a décrit l'organisation actuelle du recyclage de l'aluminium des véhicules en fin de vie, les techniques actuellement utilisées et leurs perspectives d'évolution.
Plusieurs exemples d'application de l'aluminium dans les poids lourds ont été présentés par A. François et E. Valette (RVI Volvo), ceci aussi bien pour des pièces de structure du châssis que pour des pièces moteur ou des pièces de liaison entre la cabine et le châssis. Les objectifs recherchés sont, outre un gain de masse, une réduction du coût de fabrication. L'un des exemples concerne une traverse sous moteur réalisée par un moulage coquille en alliage AS7G03 produite à 8000 exemplaires, en remplacement d'une pièce mécano-soudée, permettant de réaliser un gain de masse de 20kg et une réduction de coût de 30 Euros par pièce ainsi que des gains de manutention. Les autres exemples cités ( platine amortisseur, bras de réaction basculeur de cabine, support de colonne de direction etc) montrent les bénéfices attachés au procédé de moulage en coquille sous pression pour les pièces de moyenne série. Les gains de coût sont de l'ordre de quelques Euros à quelques dizaines d'Euros par pièce. Les auteurs concluent en soulignant le besoin de données sur les propriétés mécaniques et la tenue en fatigue des alliages utilisés, ainsi que sur leur comportement à grande vitesse pour une meilleure évaluation de la résistance au crash.
Dans un exposé clair et très bien structuré, E. Campus (Alstom) et B. Roure (SNCF) ont bien mis en évidence les critères de choix de l'aluminium comme matériau de structure pour les rames TGV à deux niveaux. L'objectif principal était d'augmenter la capacité de transport de plus de 40% par rapport au TGV à un niveau, soit un supplément de 24 voyageurs par remorque, tout en respectant la contrainte de masse par essieu inférieure à 17 tonnes. Pour y parvenir, les concepteurs ont eu recours à des profilés de grande longueur en alliages 6005A ou 6061T6 dans les parties courantes ou 6082T6 dans les zones les plus fortement sollicitées, ainsi qu'à des tôles en 6061T4 ou 5754 H11 dans les zones de crash ou de tenue au feu ; ils ont également fait appel à des pièces moulées en AS7G06 en remplacement de structures mécano-soudées. L'emploi de l'aluminium a ainsi permis de réduire d'environ 12% la masse de la structure de caisse ( 91% de la masse totale d'un TGV duplex).
Les contraintes d'exploitation sont cependant extrêmement sévères, tant en ce qui concerne la tenue en fatigue que la résistance statique en compression des salles voyageurs (5MN sans déformation), la capacité d'absorption d'énergie en cas de collision, ainsi que l'aptitude au relevage d'une rame complète ou à l'accostage. Le matériel roulant doit donc être dimensionné de telle sorte qu'il offre toutes les garanties de sécurité passive : choc entre deux trains, collision avec une voiture (rame freinée) ou avec un poids lourd percuté à 110 km/h, en même temps que de maintenabilité et de réparabilité .
Dans la dernière partie de leur exposé, les auteurs ont décrit les précautions prises tant en ce qui concerne la conception que la réalisation, pour améliorer le comportement en fatigue des ensembles mécano-soudés. La règle générale était de réduire au minimum le nombre de soudures et de remplacer chaque fois que possible des pièces mécano-soudées de forme complexe et fortement sollicitées par des pièces moulées intégrant le maximum de fonctions en alliage d'aluminium.
Les Perspectives d'utilisation de l'aluminium dans les structures aéronautiques ont été présentées par E. Grosjean (EADS) en remplacement d'une conférence qui devait être prononcée par un représentant de Bombardier sur le même sujet. L'auteur a commencé par exposer un certain nombre de considérations d'ordre général sur les matériaux utilisés dans les cellules d'avions civils et les lanceurs, le contexte particulier de l'aéronautique (coût, performances, sécurité, environnement, certification etc), les principes du dimensionnement (Fail Safe, Dual Path Load, Safe Life), les cadences de production pour les avions ( max 30/mois chez Airbus) ou les lanceurs (max 10 à 12 tirs/an pour Ariane) ainsi que l'ordre de grandeur du coût par kilo gagné pour un avion commercial (100 Euros), un avion militaire (1000 Euros) ou un lanceur (plus de 10.000 Euros). Le cur du sujet a ensuite été abordé par divers exemples d'applications des produits moulés dans l'aéronautique (porte du Falcon coulée, bâti instrumentation cockpit du B757 en cire perdue) puis par une présentation des principaux thèmes actuels de développement des produits laminés en alliages d'aluminium pour l'aéronautique :
- supprimer le rivetage pour réduire la masse embarquée (900.000 rivets sur l'A340) en le remplaçant par le soudage laser CO2 ou YAG des panneaux de fuselage; la première application de ce concept nouveau est envisagée pour l'A318;
- développer le soudage par friction (FSW) pour l'assemblage des panneaux d'extrados au caisson central de voilure;
- remplacer l'alliage 2219 traditionnellement utilisé dans les lanceurs (d = 2,84 g/cm3) par l'alliage AlLi du type 2195T8 (d = 2,72 g/cm3) pour applications cryogéniques; l'utilisation de cet alliage de plus faible densité (- 5%) et de plus hautes caractéristiques mécaniques (+ 20%) permet de réaliser un gain de masse de 900 kg et d'emporter 300 kg de charge utile additionnelle;
- introduire des matériaux à plus haute capacité d'absorption d'énergie pour renforcer les cabines de pilotage contre les risques de perforation liés au choc d'un oiseau; les mousses d'aluminium avec une peau en alliage 2024 offrent à cet égard les meilleures capacités de dissipation d'énergie.
Cette information est à rapprocher des travaux réalisés par les grands constructeurs automobile sur l'emploi des mousses aluminium comme absorbeurs de choc. Une communication de très bon niveau scientifique portant sur la modélisation du comportement de ce type de matériau lorsqu'il est soumis à un chargement dynamique sous un pic d'effort lors d'un crash à grande vitesse de déformation a été présentée par J.S. Blazy (Renault) à l'occasion de ce congrès (voir les figures ci-après).
La communication présentée par F. Cossé et J.J. Perrier (Pechiney) a porté sur le développement de nouveaux alliages d'aluminium coulés sous pression pour les applications automobile. Il s'agit d'alliages Al Si Mg à teneurs en Si allant de 4 à 11% et d'alliages Al Mg Si à teneurs en Mg comprises entre 3 et 7%. Afin d'obtenir les compromis de propriétés recherchés entre la résistance mécanique et la ductilité, les auteurs ont adapté la teneur en Mg de ces alliages ainsi que les conditions de revenu ou de stabilisation en cherchant à supprimer le traitement de mise en solution préalable.
Deux communications très intéressantes ont été présentées successivement, l'une par H. Alamdari (Minutia, Canada) sur l'application de matériaux nanocristallins pour la fabrication de nouveaux affineurs de grains produits par mécano synthèse et qui sont appelés à remplacer les master alloys traditionnels de type Al Ti B ou Al Ti, l'autre par P. Huysmans et P.C. Van Wiggen (Affilips, Belgique) sur les évolutions les plus récentes en vue d'améliorer la qualité et la facilité d'emploi de fils Al Sr agissant comme modificateurs de la microstructure de fonderie des alliages Al Si à teneur élevée en Si.
Un état de l'art en matière de logiciels de simulation numérique a été réalisé par G. Ogier (CTIF) qui, après avoir présenté les différentes approches développées dans les logiciels commerciaux, a proposé une vision prospective des évolutions futures, notamment en ce qui concerne la modélisation des phénomènes intervenant lors de la coulée et de la solidification.
La modélisation des phénomènes de germination et de croissance des grains dans un alliage Al Si hypoeutectique avec couplage micro/macro a fait l'objet d'une communication également très spécialisé de M. Warmuzek et al (Institut de Fonderie et Académie des Mines de Pologne). Après un certain nombre de considérations d'ordre général sur l'importance de la microstructure de l'alliage vis-à-vis de ses propriétés d'emploi, l'auteur a montré qu'un bon choix des paramètres du modèle de solidification, calé sur des observations microscopiques, était essentiel pour décrire correctement les structures de fonderie.
Dans son exposé intitulé Fonderie automobile et allègement , M. Barthole (PSA) avait montré que dans un avenir assez proche, 100% des blocs moteur essence et diesel seraient réalisés en aluminium, la fonte étant réservée seulement aux gros moteurs diesel. C'est dire l'importance de ce marché pour les sous-traitants de l'automobile.
Trois des communications que nous avons entendues portaient sur le développement de nouveaux procédés de moulage en sable visant à répondre aux exigences des constructeurs en matière de coût, de cadences, de qualité et de complexité dans les formes. L'une, présentée par Ph. Meyer (Montupet) décrivait un nouveau procédé appelé SHLP (Sand Hybrid Low Pressure) qui combine l'emploi du sable à vert avec une alimentation en basse pression et une solidification en gravité, la mise en uvre de noyaux chimiques en boite froide associés à des refroidisseurs métalliques assurant une grande liberté de dessin et une qualité métallurgique ainsi qu'une tenue en fatigue exceptionnelles. L'autre, présentée par J. Goni et al (Inasmet/Loramendi, Espagne), décrivait un procédé assez semblable sur le principe, combinant moulage à sable vert et coulée latérale en basse pression avec remplissage non turbulent. La troisième enfin de L. Heusler et al (VAW, Allemagne) décrivait une autre variante du procédé de moulage en sable avec noyaux assemblés (CPS) adaptée à la production de blocs moteurs de formes complexes, la résistance mécanique à chaud ainsi que la tenue en fatigue et en fluage étant encore améliorées grâce à des additions de Cu, Ni et Mg à l'alliage de base AS7G03.
Rien de bien original n'a été entendu à propos des autres procédés de fonderie, qu'il s'agisse de la fonderie sous pression par F. Klein (Fachhochschule Aalen, Allemagne), du moulage en coquille par F. Chiesa et al (Centre Intégré de Fonderie et de Métallurgie, Canada), de la fonderie en gravité par F. Fueco et al (ITP, Brésil) ou de la production de billettes mettant en uvre le procédé SANGSTM par N. Saluja (Sural, Canada). Toutes se rapportaient à la fabrication de pièces pour l'automobile.
A signaler cependant l'exposé de J.M. Fauconnier (Société des Fonderies d'Ussel) qui a montré de façon très convaincante tout l'intérêt des pièces de fonderie dans l'aéronautique par comparaison aux structures en mécano-soudé, tant en ce qui concerne la logistique d'approvisionnement et des temps de montage que la réduction du nombre des composants et l'intégration de diverses fonctions. Comme M. Barthole (PSA) l'avait fait précédemment pour l'automobile, il a bien souligné le fait que, pour répondre aux besoins des constructeurs, les sous-traitants de la fonderie doivent aujourd'hui être associés au projet dès les premiers stades de la conception et prendre en charge les études de dimensionnement et de calcul en s'appuyant sur des outils de simulation numérique, de prototypage rapide, d'usinage par commande numérique des outillages jusqu'à la réception géométrique 3D.
Le principe consistant à presser un métal liquide ou semi-solide dans un moule pour lui donner sa forme quasi définitive (Net Shape) et réduire les porosités internes qui résulteraient d'une solidification naturelle a donné lieu à une variété de procédés, tous représentés lors de ce congrès. Le forgeage liquide (squeeze casting), le thixomoulage, le rhéomoulage ou le procédé Coulé Basculé, Pressé (Cobapress) en sont les principaux représentants.
Dans son exposé très complet sur le sujet P. Giordano (Stampal) a décrit brièvement chacun de ces procédés en citant leurs avantages et inconvénients respectifs. Par comparaison au thixomoulage qui, partant d'un métal liquide nécessite des opérations successives de brassage électromagnétique, coulée en barres, découpage en billettes, réchauffage des lopins jusqu'à refusion partielle puis injection dans un moule, le rhéomoulage est présenté comme le plus avantageux sur le plan économique en raison du moindre coût des matières premières, de la possibilité de recyclage interne des déchets, des pertes de métal pratiquement inexistantes (écoulement laminaire), et parce qu'il ne nécessite ni sciage de billettes ni réchauffage. Par ailleurs, il s'agit d'un procédé sans risque d'emprisonnement d'air qui offre la possibilité de réaliser des pièces de forme complexe à parois minces avec de bonnes tolérances dimensionnelles, une excellente qualité de surface et des propriétés mécaniques relativement élevées répondant aux exigences des constructeurs automobile. Plusieurs exemples d'application ont été cités : supports moteur (Fiat Stilo), nuds de carrosserie (Renault Avantime), rampes d'injection, maîtres cylindres, roues etc. Les alliages utilisés sont du type A356 ou A 357.
Quelques pièces Stampal récentes:
Les mérites du forgeage liquide ou squeeze casting ont également été cités : possibilité d'injection à faible vitesse, écoulement laminaire sans risque d'emprisonnement d'air, maintien d'une forte pression pendant la solidification, structure cristalline très fine, tolérances dimensionnelles serrées, bonnes propriétés mécaniques, aptitude à la réalisation de formes complexes sans reprise par usinage
Mais aussi ses inconvénients : temps de cycle longs, épaisseur de paroi supérieure à 4 mm. Quelques applications ont également été citées : portes fusée, culbuteurs, supports moteur, bras de suspension etc. Les alliages utilisés sont du type AlSi13Fe, AlSi12CuFeou AlSi12UMN.
Enfin, après avoir dit quelques mots sur la forge à chaud traditionnelle et montré ses avantages par comparaison aux procédés décrits précédemment (propriétés mécaniques élevées, tous alliages et types de pièces), l'auteur a présenté un diagramme de synthèse faisant la comparaison entre les différentes technologies de mise en forme à chaud par ordre croissant de coût et de performances : moulage sous pression, moulage par gravité et coulée basse pression, rhéomoulage/squeeze casting, thixomoulage et forgeage à chaud traditionnel.
Trois autres communications se rapportaient à la mise en forme à l'état liquide ou semi-solide.
J. Masounave (Ecole de Technologie Supérieure, Canada) a fait un très bon exposé du procédé de forgeage liquide ( ou squeeze casting ); il a décrit les différentes étapes du procédé (remplissage, montée en pression jusqu'à 40 bars, éjection), montré les effets de la pression et de la vitesse de solidification sur la microstructure (Dendrite Arms Spacing, porosités) et les propriétés mécaniques du métal, présenté enfin les résultats de quelques essais d'imprégnation de SiC en fibres pour la fabrication de composites à matrice métallique. Deux autres communications de moindre intérêt pratique ont été données ensuite, l'une de L. Azzi et al (Ecole Polytechnique de Montréal, Canada) décrivant les aspects rhéologiques et microstructuraux associés au forgeage à faible vitesse de cisaillement d'un alliage d'aluminium A356 et d'un composite graphitique GrANi, l'autre de E. Essadiqui et al (Canmet et CNRC, Canada) relative à l'optimisation du réchauffage de billettes en alliage thixotrope A356 par induction haute fréquence et ses effets sur la microstructure finale de pièces moulées par injection haute pression.
Toujours dans la rubrique mise en forme à l'état semi-solide, nous avons entendu également un exposé de V. Bouvier (Cobapress) tout à la gloire du procédé Coulé Basculé Pressé qui, en combinant les avantages de la fonderie et de la forge : structure fine, excellente santé matière, bon état de surface, excellente tenue en fatigue etc permet de réaliser des pièces Near Shape avec un surdimensionnement limité. Quelques exemples d'application ont été cités : bras de suspension, supports moteur, pivots de roue etc. L'alliage utilisé est du type AS7G03.
Parmi les communications inclassables car trop spécialisées, celle de J.Y. Buffère, R. Fougères et S. Savelli (INSA Lyon, Pechiney CRV) a valu à leurs auteurs de remporter le prix du meilleur exposé. Cette communication du plus haut intérêt sur le plan scientifique, à la fois par la l'originalité de la méthode employée (la microtomographie X), de l'outil mis en uvre (le rayonnement synchrotron) et de la qualité des images obtenues montrant, dans un alliage AS7G03, la distribution 3D des porosités et des retassures avec une résolution de 6 microns cube, méritait bien en effet une telle récompense !
Les trois autres communications étaient relatives, l'une à l'analyse des flux thermiques au contact des cylindres lors de la coulée de bandes minces par R. Guthrie (Université McGill, Canada), l'autre à la modélisation mathématique d'un four de fusion par B. Eyglunent et al (Pechiney CRV/GDF), la dernière enfin au traitement ALTIM développé par la société Motratech qui consiste à oxyder une surface d'aluminium pour y faire croître une couche de céramique dure et adhérente, résistante à l'usure et à la corrosion.
CD-ROM du congrès édité par le CTIF et le CQRDA
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