Systèmes d'alimentation en fonderie : types, conception et bonnes pratiques

Qu'est-ce qu'un système d'alimentation (gating system) ?

En fonderie sable, le réseau de coulée conduit le métal fondu du bac de coulée vers l'empreinte : bac → chape (sprue) → canal (runner) → portes (gates) → empreinte. Son tracé conditionne la qualité pièce et la perte métal.

Débit critique : trop rapide → érosion/oxydation ; trop lent → solidification avant remplissage. Formes/dimensions fixées au moulage. Mauvaise conception = défauts graves.

4 objectifs fondamentaux

• Remplir l'empreinte complètement, au plus vite, sans surchauffer le métal.
• Écoulement laminaire, turbulence minimale (évite piégeage air).
• Gradient thermique pilotant le retrait vers le réseau (pas dans la pièce).
• Évacuation impuretés/gaz (couplé système filtration).

Exigences de conception

• Contrôle débit : sans choc, éclaboussement, tourbillon — continu, stable.
• Pas d'entraînement scories, inclusions, gaz dans l'empreinte.
• Remplissage rapide sans perte fluidité.
• Contrôle T° dans l'empreinte pour solidification stable.
• Capacité apport métal supplémentaire, faible perte métal.
• Démoulage aisé après solidification.
• Économique, rendement coulée maximal.

Erreurs si mal conçu : oxydation métal, corrosion moule, retrait pièce, pénétration métal parois, solidification inégale.

Composants du réseau (schéma)

1. Bac de coulée (pouring basin/cup)

Entonnoir supérieur recevant le métal des louches. Régule débit, réduit turbulence entrée chape, décante scories/sédiments.

2. Chape (sprue)

Conduite verticale bac → canal. Perte charge, gain vitesse (gravité). Section : circulaire (préférée), carrée, rectangulaire. Conique (rétrécie vers le bas) pour éviter aspiration air. Gros bout haut (reprise métal), petit bout bas → puits de chape (sprue well) : pied chape dévié 90° vers canal pour éviter chute libre métal.

3. Canal de distribution (runner / cross gate)

Canal horizontal reliant puits chape aux portes. Ralentit le métal (chute libre grande vitesse dans chape). Doit être rempli complètement pour bloquer scories et assurer écoulement stable.

4. Porte(s) d'alimentation (ingate / gate)

Dernier tronçon avant l'empreinte. Nombre variable selon pièce. Deux calibres : grosse porte (solidification rapide), petite porte (solidification lente). Pas d'arêtes vives (risque arrachement sable → inclusions).

Types de portes :

• Porte supérieure (top gate) : sur cope (partie haute). Inconvénients : turbulence forte, surface pièce médiocre.
• Porte inférieure (bottom gate) : sur drague (partie basse). Remplissage bas → haut progressif. Avantages : moins turbulence, moins érosion sable. Inconvénients : risque colmatage solidification précoce, gradient thermique difficile à maîtriser → solidification inégale.
• Porte ligne de joint (parting line side gate) : sur plan de joint. Combine avantages : zone sous plan joint = porte haute ; zone au-dessus = porte basse. Résout inconvénients précédents.

Deux familles de réseaux

1. Réseau sous pression (Pressurized Gating System)

Sections décroissantes vers l'empreinte (porte < section min chape-canal). Porte minimisée → mise sous pression. Chape toujours pleine → contre-pression limite aspiration air. Métal vitesse élevée → turbulence, tourbillons, érosion. Privilégié pour fonte.

2. Réseau non sous pression (Unpressurized Gating System)

Sections croissantes vers l'empreinte (portes totales > section min chape). Vitesses portes différentes. « Système à étranglement » (choke control) : l'étranglement (choke) régule le débit.

Rapport de sections (gating ratio) = As : Ar : Ag

As = section chape, Ar = somme sections canaux, Ag = somme sections portes.

• Réseau sous pression : 1:2:1 ou 1:0,75:0,5 → « gate control » (portes régulent).
• Réseau non sous pression : 1:2:2, 1:3:3, 1:1:3 → « choke control » (étranglement régule).

Ratios usuels par matériau :

Matériau	Ratios
Aluminium	1:2:1, 1:1.2:2, 1:2:4, 1:3:3, 1:4:4, 1:6:6
Bronze Al	1:2.88:4.8
Laiton	1:1:1, 1:2:3, 1.6:1.3:1
Cuivre	2:8:1, 3:9:1
Fonte ductile	1.15:1.1:1, 1.25:1.13:1, 1.33:2.67:1

Principes hydrauliques appliqués

Nombre de Reynolds (Re)

Prédit régime écoulement : Re = ρuL/µ = uL/v. ρ=masse volumique, u=vitesse, L=dimension caractéristique, µ=viscosité dynamique, v=cinématique.

• Re > 2000 → écoulement turbulent (grains sable arrachés → inclusions, aspiration air, érosion parois).
• Re < 2000 → écoulement laminaire (souhaité).

Équation de Bernoulli

Charge totale constante en toute section : h + p/(ρg) + V²/(2g) = cste. h=charge de pièce, p=pression, V=vitesse, ρ=masse volumique, g=9,81. Conception : sections pleines, pas angles vifs, rayons courbes généreux.

Conception pas à pas (formules)

1. Temps de coulée optimal

Temps remplissage empreinte. Trop long → T° monte, remplissage incertain. Trop court → turbulence, érosion, retrait excessif. Facteurs : alliage, complexité, taille, épaisseurs.

Formules (exemples) :

• Fonte grise < 450 kg : t = K(1,41 + T/14,59)√W — K = fluidité fonte (pouces)/40, T = épaisseur moyenne (mm), W = masse pièce (kg)
• Fonte grise > 450 kg : t = K(1,236 + T/16,65)∛W
• Acier coulé : t = (2,4335 – 0,3953 log W)√W
• Fonte ductile : t = K₁√W — K₁ = 2,08 (fines), 2,67 (10–25 mm), 2,97 (épaisses)
• Alliages Cu : t = K₂∛W
• Parois fines/complexes ≤ 450 kg : t = K₃∛W' (W' = masse + jets/massettes)
• 450–1000 kg : t = K₄∛(W'·T)

2. Conception chape

Idéal : parabole (gros haut, rétrécissement progressif). Pratique : cône (cône tronqué), pente ≥ 5 %. Section sortie basée section choke + ratio. Puits chape : cylindre 2×Ø sortie chape, profondeur 2×hauteur canal. Congé entre puits et canal → guidage perpendiculaire doux.

3. Calcul étranglement (choke)

Zone contrôle débit pour remplissage en temps calculé. Plus petite section du réseau. Formule : A = W / (d·t·C·√(2gH))
A = section choke (mm²), t = temps coulée (s), d = masse volumique métal fondu (kg/mm³) : Al 2500, Cu/Fe/Ni/Co 7000, C = rendement réseau (0,8), W = masse pièce + jets/massettes (kg), H = hauteur charge statique (mm) selon type porte :

• Porte haute : H = h
• Porte basse : H = h – c/2
• Porte plan joint : H = h – P²/(2c)

4. Conception canal (runner)

Section totale > sortie chape (ratio ≥ 1:2) pour réduire vitesse. Si multiples portes : section canal diminue progressivement après chaque porte (décrément = section porte) pour écoulement stable.

5. Conception porte (ingate)

• Section > sortie chape pour limiter vitesse.
• Section minimale pour ébarbage aisé.
• Rapport volume/surface refroidissement < zone attenante → évite points chauds locaux.
• Section proportionnelle surface pièce alimentée : plus grande zone → plus grand débit → plus grande porte.

6. Conception massette (riser / feeder / header)

Cavité réserve métal alimentant l'empreinte pendant retrait. Positionnée zone solidification finale (reste liquide plus longtemps). Évacue aussi gaz moule.

Design optimal :

• Dimension : rapport Volume/Surface massette > pièce (maintien état liquide). Sinon : chauffage externe ou masse exothermique.
• Position : distance calculée selon distance alimentation métal.
• Forme : cylindrique recommandée (sphérique idéal mais moulage difficile). Fond hémisphérique → meilleur rapport V/S.

Validation efficacité réseau

• Eau moule transparent : remplissage filmé caméra haute vitesse, défauts observables.
• Radiographie haute vitesse : idem avec métal réel.
• Moule ouvert : partie cope découpée, écoulement filmé.
• Capteurs fil contact : fils dans moule, contact métal → enregistrement multicanal.
• Eau + traceurs (huile, colorant) : visualisation vitesses zones.

VIC Fonderie : leader fonderie Al/fonte, spécialiste kettlebells haute qualité. Questions/coopération : ADMIN@MFGROBOTS.COM

Lectures complémentaires : Calcul retrait Al, Amélioration finition Al, Kettlebells par fonderie sable.
Références : Casting & Welding Engineering (Dr. Ahmed Salad Abou Taleb), Wikipedia (Reynolds, Bernoulli), IJRERD.