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Structure lattice en aluminium de grande taille pour absorption d'énergie, échanges thermiques, matériau à changement de phase, design, allègement...

Cette application a remporté le trophée MIDEST 2009.

Seule la fabrication additive permettrait de réaliser des structures lattices métalliques ? Il n’en est rien, des alternatives existent. La fonderie est l’une des plus prometteuses d’entre elles. Elle permet de produire économiquement des pièces incorporant des structures lattices, généralement désignées par le terme « mousses métalliques ».

Principe de fabrication

Le process de fabrication met en œuvre un noyau sable composé de strates empilés réalisées sur des moyens de fonderie conventionnels.

Le principe de fabrication des mousses régulières consiste, dans un premier temps, à réaliser un noyau en sable, couche par couche. Ce noyau constitue la préforme négative de la future mousse métallique. Chaque couche, qui comprend des interstices, est réalisée grâce à un outillage spécifique (boîte à noyaux). Les couches sont assemblées pour former un noyau en sable « poreux » qui est ensuite positionné dans le moule. L’alliage liquide infiltre ensuite les interstices puis, après solidification de la pièce, le noyau en sable est éliminé par débourrage.

La structure de Kelvin, employée pour former les cellules des mousses régulières, permet de paver parfaitement l’espace et autorise des porosités théoriques comprises entre 0 et 100 %. Dans la réalité, il faut concilier résistance mécanique du noyau et infiltration de l’alliage liquide, ce qui conduit le plus souvent à une gamme de porosité limitée entre 65 % à 90 %.

Les avantages des structures lattices

Les mousses régulières possèdent de nombreux avantages. Leur structure permet une excellente reproductivité des pores ainsi que la possibilité d’hybridation, sur une même pièce, de zones en mousse et de zones pleines, éliminant ainsi la zone de liaison si souvent responsable de ponts thermiques nuisibles aux applications thermiques. De même la régularité des cellules permet de réaliser, pour le dimensionnement de la pièce, des calculs par simulation (thermique, fluidique, mécanique).

D’autre part, les technologies mises en œuvre dans le procédé de fonderie, même si elles deviennent très techniques, restent standard, et ne nécessitent pas d’investissement spécifique. Enfin la gamme d’alliages utilisables est très large et est à même de répondre aux différents besoins fonctionnels (allègement, tenue à chaud, …). Les alliages mis en œuvre sont notamment à base d’aluminium, de cuivre (cuivre pur, laiton, …) et même de fer (fonte, acier).

Chaque métallurgie impose ses limites principalement par les températures et les densités liquides imposées qui sollicitent fortement la structure des noyaux en sable. Si la réalisation de mousses en alliage d’aluminium est aujourd’hui mature, les recherches continuent sur les alliages à haut point de fusion afin de repousser les limites techniques du procédé.

Les mousses pour l’allègement

Il s’agit de tirer profit du bon comportement, notamment en flexion, qu’offre un volume important de mousse rigidifié par de minces parois externes. Le gain de masse réalisé est conséquent, ainsi, un bloc en aluminium Al Si7Mg de dimensions 300 x 200 x 50 mm en mousse de 80 % de porosité ne pèsera plus que 1,62 kg (contre 8,1 kg sans mousse) et présentera une masse volumique de 0,54 g/cm³. Le taux de porosité atteignable (et donc l’allègement) est cependant fortement lié à plusieurs paramètres intrinsèques au noyau en sable ou extrinsèques (lié au process ou à la métallurgie). Ainsi, par exemple, des structures de grande taille et à pores de gros diamètre pourraient être produites avec un taux de porosité atteignant les 95 %.

Les mousses pour l’échange thermique

La surface spécifique importante (au delà de 600 m2/m3) permet d’optimiser les échanges thermiques.

Grâce à leur surface spécifique importante (supérieure à 600 m²/m³ pour une taille de cellule de 5 mm) et à leurs pores ouverts, les mousses trouvent naturellement des applications en échanges thermiques. D’autre part, grâce au procédé utilisé, il est possible de régler finement taille de brin et fenêtre de passage afin d’arriver à un bon compromis entre la quantité de chaleur extraite (puissance de l’échangeur) , la perte de charge du fluide (entre l’entrée et la sortie) et le coût industriel.

Ainsi, sur un cas simple d’échangeur à eau (longueur de 300 mm) à contre-courant au travers de 2 blocs de mousse d’aluminium séparés par une paroi (surface de 40 x 40 mm), pour une vitesse de fluide de 0,06 m/s, la différence de température entre l’entrée et la sortie est de 20°C, soit un coefficient d’échange (h) de 6800 W/m²/K, ce qui correspond à une puissance de 1300 Watts pour une perte de charge mesurée de 1,4 kPa/ml (Re = 840).

Application aux LED de puissance

Le principal défi de l’intégration des LED de puissance est la dissipation thermique car, même si elles chauffent, les LED de puissance fonctionnent à trop basse température (température de jonction max. de 125°C) pour évacuer la chaleur produite sous forme de rayonnement infrarouge. L’évacuation de la chaleur s’effectue par conduction de la puce émissive vers le boîtier de LED, puis du boîtier vers un éventuel dispositif de refroidissement et enfin par convection naturelle dans l’air. Cette dernière phase peut, dans certains cas, être appuyée par un ventilateur. Avec la convection naturelle, les mousses d’aluminium conviennent particulièrement bien à ce type d’application et présentent l’avantage de fonctionner dans toutes les positions.

Les mousses pour le stockage de l’énergie

Le développement des énergies renouvelables (solaire photovoltaïque, éolien, …) nécessite de stocker l’énergie issue de la chaleur dans des grandes cuves pour en restituer de la puissance électrique la nuit. Cette conversion se réalise en pratique par des matériaux à changement de phase (MCP) comme des sels fondus ou des paraffines. Ces matériaux MCP sont par exemple fondus le jour et libèrent leur chaleur latente la nuit en repassant en phase solide. La conductivité thermique des MCP étant très réduite (inférieure à 1 W/m.K.), leur utilisation nécessite de concevoir des cuves avec un treillis métallique complexe capable de capter la température dans la masse du matériau. Les mousses métalliques sont l’une des solutions envisagées pour augmenter la conductivité équivalente (à 10 W/m.K.) des MCP, conduisant ainsi à un temps de cycle de fusion/solidification de l’ordre de 12 heures.

Les mousses pour l’absorption d’énergie

Les mousses trouvent également des applications dans l’absorption d’énergie lors d’un crash, dans la protection anti-explosion (en association avec d’autres matériaux type plaques de blindage), et dans l’isolation phonique ou vibratoire. Ainsi, le constructeur automobile PSA présentait son concept car Aircross au salon de Shanghai en 2015 avec une intégration réussie de crash-box en mousse d’aluminium dans les bas de portières avant et arrière pour absorber l’énergie en cas de chocs latéraux à vitesse modérée.

Le gros intérêt de ce type de structure alvéolaire est de présenter une valeur de contrainte constante pendant toute la durée de compression du volume de mousse, avant la densification finale. Il est ainsi possible par exemple de protéger un passager ou un système tant que le volume de mousse n’est pas consommé. Généralement la valeur de cette contrainte est imposée, pour garantir la survie du passager ou de l’équipement. Elle est pilotée (par ordre d’importance) par la nuance d’alliage, le taux de porosité et la direction de compression. La structure de la mousse métallique est alors adaptée aux besoins spécifiques de l’application. Une mousse métallique absorbe environ 10 kJ/kg, avec un pic initial très réduit.

Les mousses pour le design

Les mousses métalliques exercent un attrait certain sur les designers de structures d’intérieur, de mobilier urbain ou de sous-ensembles industriels. Ces structures ouvertes permettent d’obtenir un effet visuel intéressant et innovant, de réaliser des structures de grandes tailles, dans des matériaux variés et d’ajouter, si besoin, un éclairage à l’intérieur de l’objet (utilisation en nocturne).

Les nouveaux développements

Nouvelles formes de géométries de structure lattice avec anisotropie pour optimiser les performances dans une direction privilégiée.

Un travail a été initié sur la production de mousses en aluminium en moulage coquille, en vue de diminuer les coûts de production pour des séries plus importantes. Avec cette technologie de moule permanent, seuls les noyaux internes en sable sont encore nécessaires.

De plus, de nouvelles formes de cellules de mousses ont également été développées et sont en cours de mise au point. Des conceptions avec des pores allongés permettent par exemple d’optimiser les performances et de tirer parti d’une anisotropie dans des directions choisies. Ainsi, la conductivité thermique de la mousse peut doubler dans la direction d’allongement des pores.

Enfin, au-delà de l’allongement des cellules décrit ci-dessus et des cellules de Kelvin traditionnellement utilisées, de nouvelles formes de cellules, développées récemment et fortement anisotropes, offrent un potentiel important et permettent de réaliser des structures alvéolaires sur-mesure et d’adapter la forme des cellules à un besoin fonctionnel spécifique.

Fonderie et fabrication additive

Finalement, Fabrication additive métallique et fonderie sont plus complémentaires que concurrentes. La fabrication additive métallique offre la possibilité de produire de très petites cellules avec d’énormes variétés de formes alors que la fonderie apporte la capacité de fabriquer des structures de plus grandes tailles à des conditions technico-économiques favorables.

Nous sommes très heureux d’avoir remporté le trophée MIDEST 2009 pour cette innovation de rupture en fonderie.