Modèle simplifié de fragmentation de noyaux de fonderie en sable

par William Hilth

Thèse de doctorat en Sciences et génie des matériaux

Sous la direction de David Ryckelynck.

Thèses en préparation à Paris Sciences et Lettres , dans le cadre de SMI - Sciences des Métiers de l'Ingénieur , en partenariat avec Centre des Matériaux (laboratoire) et de MINES ParisTech (établissement opérateur d'inscription) .


  • Résumé

    Le moulage des culasses en aluminium de moteurs automobile utilise une grande quantité de noyaux en sable lié par une résine polyuréthane. Ces noyaux doivent être extraits sans laisser de résidus dans les pièces. L'opération d'extraction, appelée débourrage, consiste à marteler les pièces de fonderie au niveau de la masselotte afin de fragmenter les noyaux. Cette opération est de plus en plus difficile à réaliser par la diminution de la taille des moteurs. Or, elle est cruciale pour l'amélioration de la qualité des culasses. L'objectif de la thèse est de développer un modèle de comportement mécanique élastoplastique tenant notamment compte la dépendance du matériau à la température de vieillissement. Ce modèle s'inscrit dans le cadre de la mécanique des sols à Etat Critique. Par la suite, le champ de déplacement d'un essai de compression uniaxiale observé en tomographie aux rayons X a permis de calibrer et valider le modèle. Pour cette étude, une méthode d'élagage de données a été développée afin de réduire drastiquement les coûts et les temps de calculs de l'optimisation des paramètres ainsi que le poids des données de corrélation d'images à stocker. Ces données ainsi élaguées sont utilisées afin d'optimiser le modèle élastoplastique grâce à l'utilisation d'une méthode hybride d'hyper-réduction (H2ROM). La simulation a permis ensuite d'améliorer la compréhension du débourrage des pièces de fonderie. La démarche numérique développée a mis en évidence l'influence de la précontrainte de compression thermique due au refroidissement de la culasse, ainsi que des conditions de bridage de la pièce lors du martelage.

  • Titre traduit

    Simplified model of fragmentation of sand foundry cores


  • Résumé

    In casting foundry, resin bonded sand cores are used to mold the internal cavities of metallic parts, like cylinder heads. These cores are placed in the metallic die before casting and undergo a thermal loading during casting and solidification that leads to a chemical degradation of the binder. After the solidification, the internal casting sand cores have to be extracted. This so-called decoring operation is carried out by mechanical means, by knocking on the part with pneumatic hammers to fracture the cores first and then vibrating to eliminate the fragmented pieces. The degradation of the resin caused by the thermal loading facilitates drastically the decoring process. The aim of this work is to understand and model the behavior of such heterogeneous media, taking into account the ageing temperature, in order to correctly assess the remaining fragmented cores after the decoring process. An elastoplastic model within the Critical State framework was adapted from the literature. Subsequently, the displacement field taken from an uniaxial test observed in X-ray Computed Tomography enabled to complete the calibration and the validation of the model. For this work, a data pruning method was developed. It saves memory space for long term storage and speed-up the parameters optimization. These pruned data are used to optimize the elastoplastic model through the use of a hybrid hyper-reduction method (H$^2$ROM). Afterwards, the simulation helped to improve the understanding of the decoring process of foundry parts. The numerical approach developed has highlighted the influence of the thermal compression preload due to the cooling of the cylinder head, as well as the conditions of clamping during hammering.