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Centre Technique
des Industries de la Fonderie
Patrick Hairy, resp. activité R&D produit process fonderie [email protected] CTIF (www.ctif.com)
Les opportunités des mousses
métalliques Castfoam® pour les
solutions multi-matériaux
Innov’Days
Dijon – 28 nov. 2013
lundi 2 décembre 2013 lundi 2 décembre 2013
Le CTIF (Centre Techniques des Industries de la Fonderie)
La technologie de réalisation des mousses métalliques
Les applications (thermique, absorption énergie, …)
Le potentiel en solutions multi-matériaux (métal/métal, métal/polymère)
Le CTIF et les mousses métalliques Castfoam®
Présentation
lundi 2 décembre 2013 lundi 2 décembre 2013
Compétences : métallurgie, alliages et process de fonderie, innovation
125 personnes (Sèvres, Lyon, Charleville) : des experts matériaux et procédés et des moyens (laboratoire d’analyse, fonderie expérimentale, …, calcul et simulation)
Prestations de service : analyses matériaux métalliques, conception de pièces, projets de R&D, audit de fonderies, formation inter et intra-entreprises,
Innovation : Alliages à mémoire de forme, mousses métalliques, composites CMM, renforcement superficielle (fonte), allègement de pièces (Al), cellule robotisée de parachèvement de pièces (Ctif / Cetim/ Actemium), …
Le CTIF (www.ctif.com)
lundi 2 décembre 2013 lundi 2 décembre 2013
La technologie de réalisation des
mousses métalliques
Principe, caractéristiques géométriques, forme de pièces
réalisables, projet R&D en cours
Production par voie fonderie
Mousses régulières
Noyau en sable réalisé par strates empilées Chaque strate est réalisée par un moyen de fonderie traditionnel (boite à noyau)
Infiltration par le métal liquide et destruction du noyau
Moulage en sable à prise chimique
Pas d’investissement machine spécifique Du know-how et des outillages
Caractéristiques géométriques
lundi 2 décembre 2013 lundi 2 décembre 2013
Pores ouverts et communicants
Diamètre de pore : mini 10 mm, maxi 100 mm
Porosité 85 % (modulable entre 65 % et 90 %)
Régularité de distribution des pores : quasi-
parfaite et répétable d’une pièce à l’autre
Alliage : Aluminium, cuivre, acier, fonte, …
Structure mixte pouvant comporter sur une
même pièce des zones en mousse et des zones
pleines traditionnelles
Proto fonte
lundi 2 décembre 2013 lundi 2 décembre 2013
Mousse aluminium CTIF CastFoam®
Pores diamètre 70 mm
Dimension 650 x 420 x 420 mm
Taux de porosité 85 %
Table Bulle
Réalisation de pièces de grande taille
Simulation numérique
Document Alveotec
La structure régulière et périodique facilite la modélisation et la
simulation thermique ou mécanique des mousses (éléments finis)
lundi 2 décembre 2013 lundi 2 décembre 2013
Les applications possibles (caractéristiques fonctionnelles)
Caractéristiques et applications potentielles
lundi 2 décembre 2013 lundi 2 décembre 2013
Surface spécifique importante
(600 à 2000 m2/m3)
Echangeur thermique (circulation
fluide), réacteur chimique,
récupération de la chaleur
Capacité d’absorption d’énergie à
l’écrasement
(10 kJ/kg aluminium)
Crash box transport (automobile,
ferroviaire), blindage (militaire),
amortisseur de vibrations
Forte porosité et pores ouverts
(65 % à 90 %)
Isolation thermique, matériau
composite par l’injection d’un second
corps (polymère, métal, …)
Esthétisme et possibilité de réaliser
des pores de grande taille (70 mm
ou plus)
Mobilier intérieur (table, lampe, …),
Design urbain
Caractéristiques
fonctionnelles
Applications
potentielles
Echange thermique
lundi 2 décembre 2013 lundi 2 décembre 2013
Mousse régulière
Démonstrateur
Cuivre
Capacité d’échange multipliée par 2 à 3 (ou plus) par rapport à
des solutions conventionnelles (ailettes, tubes, …)
Résultats très intéressants en convection libre
Absorption d’énergie
Contrairement aux matériaux traditionnels (aluminium, acier), la mousse présente un comportement spécifique lors d’une sollicitation en compression : absorption d’énergie à faible contrainte et grande déformation.
Pour les applications en absorption d’énergie, importance de plusieurs paramètres :
• Un plateau le plus constant possible • Un pic initial le plus faible possible • Quantité d’énergie absorbée (en J) égale à l’aire sous la courbe contrainte-déformation
Partie 1 Déformation élastique linéaire (un pic) Partie 2 Le Plateau Partie 3 La Densification
Partie 1 Partie 2 Partie 3
Test de compression
Mousses régulières (acier) réponse anisotrope selon les directions d’écrasement
Banc UTAC
Energie absorbée : 10 kJ/kg (85 % de porosité)
Design Urbain
Projet Design-Fonderie CTIF-Strate College
Borne de défense de trottoir
Poubelle anti-explosion
Borne d’information
Parasol urbain mi-ombre
Mur anti-bruit végétalisé
Chaise pliante bord de seine
Chaise de jardin allégée
Bac de compost
lundi 2 décembre 2013 lundi 2 décembre 2013
Le potentiel en solutions
multi-matériaux
(métal/métal, métal/polymère)
Multi-matériaux métal/métal
Production
Réalisation d’une mousse (matériau A) puis infiltration par un autre matériau métallique (matériau B) Tfusion matériau A > Tfusion matériau B
Composite co-continue métal-métal
- Acier/Aluminium - Laiton/Aluminium
Multi-matériau CTIF acier/aluminium
Multi-matériaux métal/polymère
Production
Réalisation d’une mousse métallique (matériau A) et infiltration par un polymère
Applications :
- Nucléaire
- Défense
- Mécanique (absorption énergie)
Multi-matériaux métal/polymère
Données UTT
Caractéristiques mécaniques modulables entre l’aluminium et le polymère
Multi-matériaux métal/polymère
Données UTT
Energie absorbée à 40 % de déformation de la mousse
Compression
Proportion volumique de polymère : 63 %
Le polymère (polyéthylène et Epoxy) évite une fragmentation de l’aluminium et accroit les caractéristiques mécaniques et l’absorption d’énergie.
Importance de la qualité de l’interface aluminium-polymère
Partenaires : Universitaires (ECP, ENSMP, INSA Lyon, IUSTI) et industriels (TNI Areva, MOTA, Mersen, Solaire 2G). Leader CTIF Objectifs : Amener un cadre structurant autour des mousses métalliques (optimisation géométrie des cellules, simulation numérique fonctionnelle et fonderie, outils métiers méthode fonderie, …, réalisation de démonstrateurs). Aluminium et cuivre, durée 4 ans
Projet ANR
De la technologie au transfert
lundi 2 décembre 2013 lundi 2 décembre 2013
- Développement de la technologie (3 brevets) - Réalisation de prototypes (fonderie expérimentale CTIF) pour des donneurs d’ordre - Transfert de la technologie vers des fondeurs
Proto cuivre Fondeurs licenciés
Goodfellow
Aluminium pur
Pore de diamètre 10 mm
Porosité : 85 %
Dimension : 172 x 100 x 40 mm
Goodfellow : Revendeur sur internet de produits de laboratoire
standards en petite quantité
Produit standard en mousse Castfoam®:
Production des échantillons standards
Goodfellow par le fondeur licencié
Loupi est une PME (75020) spécialisée dans la fournitures d’éclairage à
base de LED pour magasins, expositions et évènements, musées (Le
Louvre, …)
Produit : Dissipateur thermique pour LED afin d’améliorer leur durée de vie
- Premiers prototypes au CTIF
- Démarrage production en
février 2013
Application en éclairage
Conclusions
• Mousses Castfoam® réalisées par une technologie de fonderie (mixte de zones pleines et de zones en mousse), sans investissement machine
• Fonctionnalité dans les domaines thermique, absorption de l’énergie, …, design
• Simulation et calcul au stade de conception de la pièce
• Potentiel pour la réalisation de multi-matériaux métal/métal ou métal/polymère