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Un contrôle précis de la pression et du débit améliore l'injection de cire

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Les moules pour la coulée de précision sont plus précis et présentent moins de défauts, grâce au contrôle du débit par injection de cire.

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Dans la coulée de précision de l'aluminium, un modèle en cire jetable doit être réalisé pour chaque pièce à former à partir d'aluminium fondu. Pour fabriquer ces modèles en cire, de la cire en pâte à basse température est injectée dans des moules à cavité. Pour obtenir un modèle de haute qualité, la cavité doit être complètement remplie afin qu'aucun air ne soit emprisonné dans le moule, ce qui laisse une bulle ou un vide dans le modèle final. Par conséquent, l'écoulement de la cire en pâte doit être contrôlé afin que l'air emprisonné puisse s'échapper par les évents du moule.

Les ingénieurs de Solidiform Inc. de Fort Worth, au Texas, un chef de file dans la production de pièces coulées au sable de précision pour l'industrie aérospatiale, connaissent bien les défis à relever pour y parvenir. L'entreprise a récemment mis à niveau son système d'injection de cire et a reçu quelques demandes de la part des ingénieurs qui travaillent à la mise à niveau.

"Quand le moule était presque plein, nous voulions que la machine ralentisse le taux de remplissage pour permettre à l'air de sortir ", explique Larry Andre, vice-président et directeur général de Solidiform. "Le problème avec notre vieille extrudeuse de cire était que nous ne pouvions pas changer manuellement le débit pendant l'injection, donc nous avons été obligés de choisir un taux de remplissage de compromis

Par conséquent, de l'air était souvent laissé dans le moule, créant des vides dans le modèle en cire qui devaient être réparés avant que le modèle puisse être utilisé à l'étape suivante du processus.

Automatisation de l'opération

Dans le but d'éviter cette reprise et de rendre le processus plus reproductible, la direction de Solidiform a cherché un moyen de contrôler la façon dont la cire remplit le moule. Quelques solutions ont été essayées, y compris des vannes de contrôle de débit manuelles et des régulateurs de pression à commande électronique, avec un succès mitigé. Pour résoudre le problème, ils ont contacté la Wilson Company, un distributeur d'énergie hydraulique du Texas, dont le siège social se trouve à Addison.

Dave Pellerin, ingénieur chez Wilson, a recommandé qu'un contrôleur de mouvement électrohydraulique pour le cylindre qui actionne l'extrudeuse de cire leur donne un contrôle précis. Pellerin a recommandé à Solidiform d'utiliser le RMC75E de Delta Computer Systems, Inc. de Battle Ground, Washington.

Au début du processus, une billette de cire est chargée dans le cylindre de l'extrudeuse avec la température maintenue par des bandes chauffantes à l'extérieur. Le cylindre de l'extrudeuse pousse ensuite de la cire chaude à travers un tuyau chauffé pour remplir le moule, qui est maintenu fermé par le cylindre de serrage. Le contrôleur de mouvement utilise les points de consigne saisis dans une base de données pour la vitesse et la pression d'injection afin d'assurer un remplissage constant.

La compressibilité de la cire est différente de celle de l'air, et le système de contrôle surveille et ajuste pour cela en lisant la sortie d'un capteur de pression dans la ligne de cire. Grâce à ces informations, la pression d'injection peut être modifiée dynamiquement au fur et à mesure que le moule se remplit.

Le régulateur réagit aux variations de pression en augmentant ou en diminuant sa commande à la servocommande. Dès que l'air est évacué, la pression revient presque immédiatement. A ce moment, le contrôleur doit réagir rapidement en abaissant la tension de commande au niveau approprié (et donc en réduisant le débit d'huile hydraulique vers le cylindre de l'injecteur) afin de minimiser les dépassements. Le contrôleur de mouvement compense également les différences de viscosité de la cire d'un cycle de production à l'autre. Le contrôleur s'assure que la pression de réglage est exacte et reproductible d'un coup à l'autre.

Le contrôleur de mouvement Delta surveille la pression et la position du piston dans chaque cylindre. L'algorithme de régulation utilisé est appelé "régulation à double boucle" La boucle de régulation interne assure que la position et la vitesse du piston correspondent au profil lors de l'injection de cire, tandis que la boucle externe vérifie que la pression exercée lors du mouvement du piston ne dépasse pas les limites fixées.

Toutes les fonctions d'injection sont coordonnées à l'aide d'un écran tactile Red Lion, l'interface opérateur principale. L'IHM s'interface également avec un API Allen-Bradley, qui contrôle le séquençage des unités de puissance et les mécanismes de sécurité.

Une fois le cycle d'injection terminé, le RMC75E crée une légère dépression dans la conduite de cire lorsque le cylindre de serrage se rétracte. Ainsi, la cire résiduelle ne gicle pas lors de l'élimination de la pression de la pince. Toutes les valeurs de pression sont affichées sur l'IHM.

Programmation du mouvement

Pour faciliter l'ajustement des paramètres de mouvement, Delta fournit un outil logiciel, le Plot Manager, qui fait partie de l'interface logicielle RMCTools de l'entreprise. Les tracés produits par ce module affichent les valeurs des paramètres de mouvement réels plutôt que les valeurs cibles calculées par l'algorithme de la boucle de régulation. Les graphiques leur permettent de représenter graphiquement les activités attendues telles que :

Temps 0 à 10 secondes : La cire s'injecte. Il y a trop d'air dans le moule pour lire toute contre-pression.

A 10 sec. : Un coup de pression rapide. Le moule commence à se remplir, donc la pression est mesurée. Cependant, il se dissipe rapidement lorsqu'une bulle d'air piégée apparaît.

A 10.75 sec. : Une forte augmentation de la pression lors de l'expulsion de la dernière partie de l'air et du remplissage du moule. La tension de commande est trop élevée parce que les lectures ne sont pas réelles, mais le contrôleur réagit rapidement pour stabiliser la sortie. Une fois que tout l'air est expulsé et que le moule est complètement rempli de cire, il faut environ 0,1 seconde pour pressuriser la cire dans le moule.

A 11 s : La pression commence à se stabiliser et est maintenue à sa valeur de consigne pendant toute la durée du cycle, laissant la cire se solidifier sous pression.

De tels tracés peuvent être utilisés pour diagnostiquer les problèmes de mouvement. Par exemple, avant le réglage final, les tracés montraient quelques bavardages dans le système (oscillations dans la position du cylindre). Elle a été causée par le passage de l'extrudeuse de l'injection de cire à la rencontre d'une bulle d'air emprisonnée. Pour résoudre les problèmes, l'équipe d'assistance technique de Delta a été appelée pour recommander quelques ajustements au système qui permettaient d'optimiser les temps de boucle rapide et les paramètres de réglage avancés des contrôleurs, ainsi que l'ajout d'un filtre passe-bas de sortie qui permettait d'éliminer ces vibrations.

"Maintenant, le contrôleur Delta peut nous donner un débit variable, adapté à la pièce que nous voulons fabriquer ", dit André. "Et il peut maintenir la pression avec précision et répétitivité, il n'y a pas de supposition. En contrôlant le taux de remplissage du moule et en évitant la formation d'imperfections, nous avons facilement augmenté le rendement de notre premier modèle et nous n'avons pas besoin d'effectuer de réparations. Nous avons probablement augmenté la productivité de 20%."

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