Évolution des fonderies : technologies de pointe et normes de sécurité

Les fonderies continuent d'évoluer en adoptant technologies innovantes et sécurité au travail

Une fonderie est une usine industrielle où le métal est fondu et moulé en formes spécifiques en le versant dans un moule. Le processus lui-même a des siècles. Aujourd'hui, environ 90 % de tous les biens manufacturés dépendent de moulages métalliques pour leurs composants, les voitures et camions étant le plus grand marché. L'aluminium, le fer, et l'acier sont les alliages les plus courants traités en fonderie.

Histoire des fonderies

Depuis des générations, l'humanité a trouvé des façons innovantes d'utiliser les matières premières de la nature — travailler les métaux fait partie de la civilisation depuis l'Antiquité. Une large gamme d'artéfacts a été découverte par les archéologues, des objets de culte aux outils et armes de guerre. En fait, les époques de l'histoire humaine ont été nommées d'après les avancées en technologie métallique : Âge du Cuivre, Âge du Bronze, Âge du Fer. Le plus ancien moulage connu des historiens est une hache en cuivre, découverte enterrée avec une momie d'environ 3300 av. J.-C.

La fonderie et le fourneau ont origine en Mésopotamie et régions d'Irak et Syrie. Les moulages en argile et fosses à feu chaud servaient à fondre et façonner cuivre, or, et argent. Ces fonderies primitives fondaient le cuivre et étaient capables de créer des formes plus complexes, mais ce n'est que quand l'étain a été introduit que le travail du métal a fait une avance significative. L'ajout d'étain a abaissé la température à laquelle les deux métaux fondaient et formaient le bronze — le premier alliage.

À travers les siècles et générations successives, diverses techniques de travail et moulage du métal ont été développées et perdues, alors que différentes civilisations émergeaient pour dominer le paysage culturel et technologique. C'est au Moyen Âge que les processus de moulage du métal en fonderies ont été documentés pour la première fois. Vannoccio Biringuccio (1480-1539) est connu comme le « père de l'industrie de la fonderie » car il est devenu l'auteur du premier manuel sur les fonderies, à partir duquel la technologie a été développée davantage.

La première fonderie officielle était connue sous le nom de « Canon Shop », construite à Moscou en 1479. L'industrie de la fonderie métallique des 14e et 15e siècles en Europe est devenue connue pour la production de cloches, canons, et boulets de canon en bronze et fer.

En Amérique du Nord, l'industrie de la fonderie métallique a grandi pour soutenir le progrès des colons à travers le Nouveau Monde. Des outils plus avancés et plus forts, fers à cheval, et rails étaient nécessaires pour approvisionner la demande des villes et villages en développement.

Saugus Iron Works était la première fonderie aux États-Unis, commandée en 1642 par des sidérurgistes européens. Établie à Lynn, Massachusetts, elle est devenue connue comme le berceau de l'industrie américaine du fer et de l'acier.

Développements technologiques en fonderie

Les processus de fonderie se développent continuellement pour améliorer la qualité des produits et l'efficacité de production, et tirer parti des nouvelles technologies. Des percées dans le développement ont permis des avancées significatives dans le moulage métallique à des moments clés de l'histoire de l'industrie.

Développements des fours

La migration du charbon au coke comme combustible pour les fonderies a été pionnière par Abraham Darby. Son innovation en 1709 a mené à une amélioration significative de l'efficacité et du coût, et a permis la construction de fours bien plus grands que précédemment possible.

Four à cubilot (Cupola furnace)

Le four à cubilot a été développé en 1720 par le Français René-Antoine Ferchault de Réaumur. La structure en dôme a une ouverture pour alimenter la charge et des portes à charnière à la base pour vider le four après arrêt. Un lit de coke soutient le métal en fusion, le coke, et le flux de calcaire au-dessus des tuyères (ouvertures où l'air est fourni). Bien que le four à cubilot ait dominé le paysage des fonderies, il a maintenant été largement remplacé par des fours à induction électrique et à arc électrique plus efficaces.

Procédé au creuset (Crucible process)

Au 18e siècle en Angleterre, Benjamin Huntsman était l'entrepreneur derrière le développement du procédé au creuset. C'était le premier processus dans lequel l'acier pouvait être complètement fondu pour donner un produit uniforme après moulage.

Four à arc électrique (Electric arc furnace)

L'introduction de l'approvisionnement en électricité commerciale a contribué à l'invention des fours à arc électrique. Des électrodes en graphite créent l'arc électrique et fournissent le courant comme source d'énergie pour fondre le fer. Le premier four à arc électrique a été créé en 1900 par Paul Héroult de France. En 1907, une usine commerciale a été établie aux États-Unis. Ces fours sont plus économiques à bas taux de production et peuvent être opérés par intermittence, donnant plus de flexibilité aux fonderies métalliques.

Four à induction électrique (Electric induction furnace)

Les fours à induction électrique utilisent un courant alternatif de haute puissance circulant dans une bobine pour induire des courants de Foucault dans le métal générant ainsi de la chaleur, et sont les plus couramment trouvés dans les fonderies de production aujourd'hui.

Développements du moulage

Dans l'Antiquité, le moulage métallique se faisait dans des moules en argile. Un des grands rois assyriens, Sennachérib, prétend avoir perfectionné la technique de moulage du bronze et cuivre dans des moules en argile. Au fil du temps, les développements technologiques ont transformé le processus de moulage — des moulages en sable à la technologie électromagnétique.

Moulages en sable (Sand castings)

Vannoccio Biringuccio, le fondeur de la fin du 15e et début 16e siècle, a écrit un livre sur toutes les formes de moulage et travaux connexes. Le livre décrit l'utilisation des moulages en sable, la prochaine phase majeure de la technologie de moulage. Initialement, le sable était mélangé avec de l'argile comme agent liant pour que le moule garde sa forme pendant le moulage, mais avec le temps de nouveaux types de sable et agents liants ont été développés.

Le sable vert est l'un des matériaux les plus couramment utilisés aujourd'hui. Historiquement, le sable vert consistait en sable de silice, argile bentonite, eau, et charbon de mer. Cependant, le charbon de mer n'est plus couramment utilisé aujourd'hui et a été remplacé par d'autres matériaux. Bien que le moulage en sable vert reste couramment utilisé, les procédés « no-bake », prise chimique, ou prise à froid deviennent prédominants dans les fonderies d'aujourd'hui.

Moulage sous pression (Die casting)

Le moulage sous pression et le moulage par investissement sont des techniques modernes utilisant des matériaux nouvellement disponibles pour améliorer la qualité de finition du moulage et le coût de production. Le moulage sous pression se caractérise par le fait de forcer le métal en fusion sous haute pression dans une cavité de moule. Une machine à chambre chaude ou froide est utilisée selon le type de métal moulé. Les moulages sous pression sont connus pour fournir une bonne finition de surface et une constance dimensionnelle.

Moulage continu (Continuous casting)

Peut-être l'avancée la plus significative dans le processus de moulage a été l'introduction de la machine de moulage continu. Le métal en fusion est versé dans un moule et lentement retiré pour créer des longueurs continues de métal solidifié. L'avantage majeur de cette méthode de moulage d'acier au carbone est l'élimination de certaines étapes de traitement en aval. Ces produits semi-finis peuvent être plus facilement transformés en produits finis par laminage.

Moules permanents (Permanent molds)

Au 21e siècle, les processus de moulage ont fait un autre bond en avant grâce à l'introduction de la technologie électromagnétique. Une bobine d'induction est enroulée autour d'un moule refroidi à l'eau avec un courant alternatif générant des champs électromagnétiques.

Ces champs électromagnétiques passent à travers le métal en refroidissement causant la formation de courants de Foucault dans le métal en fusion résultant en deux résultats positifs :

• Le contact entre le métal en refroidissement et la surface du moule est « doux » donnant une meilleure qualité de finition. Dans le moulage standard refroidi à l'eau, une peau épaisse de microstructure grossière se forme due au contact « dur » avec le moule. Cette peau est fraisée avant laminage, résultant en gaspillage significatif de produit et augmentation des coûts.
• L'homogénéité du métal est grandement améliorée avec une réduction des ségrégations aux joints de grains.

Développements de la qualité

Sir Henry Bessemer était l'innovateur derrière de nouvelles techniques pour retirer le carbone et l'oxygène excédentaire de l'acier en fusion qui a culminé dans l'invention du convertisseur. Bessemer a découvert que souffler de l'oxygène à travers le métal en fusion causait une réaction avec le carbone et le silicium dans le matériau — éliminant les impuretés mais aussi chauffant le matériau pour un versement plus facile.

Les convertisseurs sont maintenant utilisés pour de fins degrés de contrôle qualité en fixant des ratios précis de teneur en carbone, et en ajoutant des alliages et autres additifs pour les propriétés de produit spécifiques requises. Dans un four à arc électrique, l'oxygène peut être injecté dans le bain pour « brûler » le carbone et beaucoup d'autres éléments et impuretés. Cela rend le bain initial aussi propre que possible, et permet à la fonderie d'allier le bain à la teneur parfaite. En fusion par induction, la fonderie ne peut commencer qu'avec un bain créé à partir de l'apport ou de la ferraille fondue — la teneur chimique de la ferraille doit correspondre à la chimie du bain que la fonderie utilise initialement.

Développements en mesure et contrôle

Couplés aux avancées dans les méthodes de production, il y a eu du progrès dans les méthodes de test de laboratoire du métal en fusion pendant que la fabrication est encore en cours. Des échantillons peuvent être prélevés des convertisseurs et analysés par spectromètres ou analyse de fluorescence aux rayons X. Ce retour en temps réel de la composition chimique crée une opportunité pour les fabricants de faire des ajustements avant la coulée, économisant temps et ressources précieux dus au retraitement.

Bien qu'un opérateur expérimenté puisse repérer les défauts de surface et défauts potentiels dans le produit moulé à l'œil nu, l'amélioration des méthodes de test non destructif a donné aux clients plus de sécurité dans l'intégrité du produit :

• Pénétration par colorant et poudre fluorescente peuvent être suspendus dans une huile pénétrante et appliqués sur la surface du moulage fini. Fissures et défauts de surface sont immédiatement visibles à l'application du révélateur ou en présence de lumière ultraviolette.
• Inspection radiographique est la méthode la plus efficace pour identifier trous internes, fissures, ou inclusions. Le moulage est exposé au rayonnement d'un tube à rayons X et l'image créée sur le film radiographique indique les changements de densité du moulage. L'avantage de cette méthode est que le rayon X sert d'enregistrement permanent, qui peut accompagner le produit tout au long de son cycle de vie pour le contrôle qualité et sécurité.
• Inspection par pénétration de colorant liquide (LPI) peut trouver de minuscules fissures, pores, ou autres imperfections de surface dans les moulages ferreux et non-ferreux difficiles à voir à l'œil nu. LPI utilise une solution de colorant à l'huile sur la surface du moulage qui trouve son chemin dans les défauts de surface. Une fois un révélateur spécial appliqué, les défauts deviennent clairement visibles.
• Inspection par particules magnétiques (MPI) aide à identifier la localisation de discontinuité de surface dans les métaux ferreux. Elle peut aussi indiquer des défauts sous-surface si la force d'aimantation est suffisante pour produire un champ de fuite à la surface. Dans ce test, un flux magnétique est induit dans un matériau ferromagnétique. Toute discontinuité abrupte dans son chemin résulte en un champ de fuite de flux local. Si des particules finement divisées de matériau ferromagnétique sont amenées dans le voisinage, elles offrent un chemin de faible réluctance au champ de fuite, et prennent une position qui dessine grossièrement ses limites effectives. Le moulage à inspecter est aimanté, et sa surface saupoudrée de poudre magnétique. Un flux d'air à basse vitesse souffle l'excès de poudre, laissant le défaut dessiné par les particules restantes. La poudre peut être appliquée pendant que le courant d'aimantation circule (méthode continue) ou après que le courant est coupé (méthode résiduelle). Elle peut être appliquée sèche ou en suspension, dans un distillat de pétrole léger similaire au kérosène.

Inspection par particules magnétiques (MPI)

L'Inspection par Particules Magnétiques (MPI) est un type de test non destructif qui utilise le flux magnétique pour déterminer tout défaut de surface. Regardez un ouvrier effectuer un test non destructif sur un soudage pétrole et gaz.

• Test par ultrasons (UT) identifie les défauts internes par le son en employant une énergie acoustique de haute fréquence transmise dans un moulage. L'UT permet l'investigation de la zone transversale d'un moulage, et est donc considérée comme une méthode d'inspection volumétrique. L'énergie acoustique de haute fréquence voyage à travers le moulage jusqu'à ce qu'elle frappe la surface opposée, l'interface, ou le défaut. L'interface ou le défaut reflète des portions de l'énergie qui sont collectées dans une unité de réception et affichées pour l'analyste. Le modèle de déviation d'énergie peut indiquer la localisation et la taille d'un défaut interne, ainsi que l'épaisseur de paroi et le comptage de nodules de la fonte ductile. L'UT requiert connaissance et expérience pour une interprétation précise des résultats — ajoutant au coût d'inspection.

Développements de la sécurité

Travailler en fonderie est une occupation dangereuse. Il y a de nombreux dangers chimiques, mécaniques, et thermiques qui doivent être contrôlés pour éliminer les risques potentiels pour les travailleurs.

Un des domaines clés qui a amélioré la sécurité des travailleurs est la mécanisation de l'industrie.

Précédemment, les poches (ladles) étaient manipulées à la main, soulevées, et déplacées sur le site de la fonderie. Des poches à engrenages (geared ladles) ont alors été introduites, permettant à un opérateur d'opérer et contrôler la poche à distance plutôt que de se tenir à côté du récipient de métal en fusion. Des grues ont été introduites pour soulever les poches en position pour la coulée, mais le bruit de l'environnement de production et les contraintes de ligne de visée signifiaient encore que les conducteurs de grues étaient vulnérables à causer des incidents. Les grues de processus (process cranes) sont le dernier développement où les poches courent sur des rails prédéfinis avec des levées, éliminant la chance qu'un opérateur soit dans le chemin de la poche en mouvement sous conditions normales d'opération.

L'avenir des fonderies

Tendances technologiques futures

L'efficacité est la motivation prédominante qui pousse les avancées technologiques en fonderie. Il y a un fort focus sur la réduction de la consommation d'énergie due à l'accent sur la fabrication durable, ainsi que la réduction des coûts associée. Une main-d'œuvre plus petite en fonderie réduira aussi le potentiel de blessures et optimisera la production.

Les améliorations dans l'automatisation et un mouvement vers les simulations informatiques — comme les logiciels de simulation de solidification — réduiront la dépendance de l'industrie de la fonderie à la main-d'œuvre et amélioreront la précision et l'efficacité. La simulation de processus assistée par ordinateur offre des modèles de processus qui sont maintenant suffisamment matures. Cela permet aux ingénieurs de fonderie d'utiliser le monde virtuel en préparation pour le monde réel, minimisant donc le nombre d'itérations d'essai.

La machine à mesurer tridimensionnelle (CMM) apporte un nouveau niveau de mesure de précision au sol d'atelier dans l'industrie de l'usinage. L'inspection de trous, rainures, pièces soudées, et déformations peut être faite rapidement — réduisant significativement le temps de cycle. Les données scannées sont ensuite combinées avec les résultats tactiles dans des rapports graphiques pour une interprétation facile. La CMM est une force motrice pour augmenter la productivité et fournir un aperçu pratique.

Tendances de marché futures

Le marché de la fonderie a été dominé sur la dernière décennie par la consolidation en grands conglomérats. Les économies d'échelle sont un moteur clé de cette tendance et continueront probablement dans un avenir prévisible. Les opérations plus petites et moins efficaces continueront de fermer en raison de la compétitivité du marché.

Tendances environnementales et de sécurité futures

Le recyclage des métaux est une des success stories du développement durable, mais il reste un besoin de développer l'utilisation durable d'autres produits impliqués dans le processus de moulage métallique. De nouvelles façons d'utiliser les scories et sables de moule usagés continueront d'être identifiées et explorées pour suivre les avancées réglementaires constantes contre l'élimination des déchets.

Les avancées rapides dans la technologie robotique ont ouvert des portes d'opportunité pour réduire l'exposition des humains aux situations dangereuses. Les innovateurs en technologie robotique pour environnements industriels développent des cellules de travail robotiques complètement automatisées qui ne requièrent pas d'intervention humaine sur le site de travail.

Fonderies et leur évolution continue

Le moulage métallique fait partie de la société humaine depuis l'Antiquité, et ne fait que croître en usage et avancées jour après jour.

Aujourd'hui, les produits en métal moulé affectent nos vies de multiples façons. Pièces auto, ustensiles de cuisine, outils, et beaucoup d'autres produits d'usage quotidien sont tous le résultat des processus de fabrication des fonderies.

Au fil des siècles, la technologie a fait des pas dramatiques pour améliorer la constance et le contrôle qualité des produits en métal moulé — tout en améliorant la sécurité professionnelle des travailleurs et réduisant les coûts par une plus grande efficacité. Une étude de l'histoire des fonderies révèle des entrepreneurs, ingénieurs, innovateurs, et résolveurs de problèmes exceptionnels qui ont chacun joué un rôle pour développer cette industrie.

Les pressions économiques du marché mondial continuent de créer un environnement qui récompense l'innovation, la constance, et l'efficacité. Les prochaines décennies sont obligées de produire de nouvelles technologies excitantes comme l'utilisation de big data et robotique, et de nouveaux modèles d'affaires par fusions et mises à niveau. Les tendances mondiales vers la fabrication durable continueront de pousser les améliorations environnementales et de sécurité dans l'industrie, ce qui bénéficiera aux travailleurs et communautés alike.

Références

• Industrial Metal Castings. « History of Metal Casting »
• The Free Dictionary. « Foundry Industry »
• Waupaca Foundry. « Metal Casting History »
• US National Park Service. « Saugus Iron Works National Historic Site »
• Encyclopedia Britannica. « Cupola Furnace »
• The American Foundation for Syriac Studies. « The Context of Invention in the Ancient World »
• The iron and steel institute of Japan. « Steelmaking technology for the last 100 years »
• American Foundry Society. « Castings in our world »
• Metal Technologies. « History of metal castings »
• AMAG. « EMC technology raises quality and cost efficiency »
• T.P. Castings. "Foundry Industry: Brief History and Definition"