Production de disques de frein - l'optimisation est-elle possible ?

Chaque année apporte de nouveaux records dans les ventes mondiales de véhicules. Cependant, ils ne s'appliquent pas de la même manière à toutes les parties du monde. De nouveaux constructeurs automobiles s'implantent sur le marché mondial aux côtés de marques bien établies en vue d'exporter à partir de leur marché national. Et tous les constructeurs automobiles qui produisent des véhicules sur d'autres marchés que leur marché national attendent de leurs fournisseurs qu'ils livrent localement.

La saturation des marchés nationaux a conduit à des capacités de production inutilisées dans les pays industrialisés. Les prix sont de plus en plus sous pression à mesure que la concurrence s'intensifie. Les constructeurs automobiles en répercutent les conséquences sur leurs fournisseurs, y compris les fonderies qui fabriquent des composants automobiles. C'est ainsi que les fabricants de disques et tambours de freins sont contraints de développer de nouvelles stratégies.

La pression extrême et constante sur l'industrie de la fonderie est loin d'être nouvelle. Il est remarquable de constater que la production fait l'objet d'un examen minutieux à plusieurs reprises et que l'on s'efforce constamment d'optimiser tous les processus de la fonderie. Il y a, cependant, certaines décisions fondamentales qui semblent presque avoir des racines « religieuses ». Une fois qu'un processus de moulage a été décidé, il est inébranlable. Les vérités et les rumeurs sur les différents procédés de moulage varient et sont souvent mélangées.

Un marché secondaire extrêmement obscur signifie qu'il n'y a pas de données détaillées sur les ventes mondiales de disques de frein. Sur la base de nos propres données du marché et des informations fournies par les fournisseurs de systèmes automobiles, nous estimons qu'environ 6,5 millions de tonnes de disques de frein sont fabriquées chaque année dans le monde. Ce rendement provient des lignes de moulage sans châssis à séparation verticale, des lignes de moulage en châssis à séparation horizontale, des lignes de moulage sans châssis et du moulage au sol. Actuellement, 149 lignes de moulage DISAMATIC- et 6 DISA MATCH de 91 fonderies apportent leur contribution. La part de la production mondiale de disques et tambours de freins sur les lignes DISAMATIC est actuellement d'environ 3,5 millions de tonnes par an (tableau 1). Le tableau 1 ci-dessous montre la part de DISAMATIC dans la production de ces pièces coulées.

Les coûts de fondation sont facilement ignorés dans le calcul initial, car les devis des fournisseurs d'installations n'incluent pas les travaux de génie civil. Dans la plupart des cas, une simple plaque de fondation avec une déviation de surface de +/- 20 mm suffit pour le processus de moulage vertical. La déflexion maximale ne doit pas dépasser 0,1 mm, car cela pourrait avoir une influence sur le désassortiment du moule. Il n'est pas nécessaire de creuser des fosses sous la ligne de moulage, de sorte que la flexion maximale requise joue un rôle mineur lors de l'installation au niveau du sol.

La conception simple et peu encombrante des lignes de moulage verticales offre d'autres avantages économiques, dont certains ne sont pas visibles au premier coup d'œil. Le grand avantage de la technologie de moulage vertical réside dans le moulage simultané des deux moitiés du moule en un moule de sable et leur fusion immédiate avec le moule précédent. Il en résulte une très forte densité de production sur le sol de la fonderie. Cette valeur est facilement quantifiable en examinant la relation entre la capacité de rendement de production annuelle et la surface nécessaire pour la ligne de moulage et les aires de service. Le calcul des surfaces sous-jacentes est illustré dans la figure 1. Outre la surface de la ligne de moulage DISAMATIC elle-même, il faut également tenir compte des zones de service. Les lignes de moulage développées par DISA pour la production de disques de frein atteignent une capacité de rendement de production annuelle de plus de 100 t/m2. Les lignes à haute performance à séparation horizontale avec deux machines de moulage de type simple ou double ne peuvent atteindre qu'environ les deux tiers de cette capacité, même en cas d'utilisation de chambres froides à plusieurs étages.

La réduction de la consommation d'énergie dans la fonderie joue un rôle important depuis de nombreuses années. Jusqu'à présent, les discussions ont porté sur la réduction de la consommation d'énergie dans l'atelier de fusion où la consommation est la plus élevée. Bien que la section de moulage ne représente qu'environ 8 à 12 % de la production totale [1], il y a encore un potentiel d'économies non négligeable. La consommation d'énergie de l'atelier de moulage est répartie entre l'usine de sable et la ligne de moulage. Selon le type de technologie de moulage installé, la ligne de moulage représentera entre 30 et 55% de la consommation d'énergie de l'atelier de moulage.

L'utilisation systématique de lignes de moulage verticales robustes, basées sur des critères de conception légers, réduit considérablement la consommation d'énergie (tableau 2). Ici aussi, il est judicieux de tenir compte de la consommation annuelle moyenne basée sur le kWh par tonne de pièces de fonderie vendables. La recherche d'une efficacité accrue exige une production en trois équipes. Ici, nous pouvons mettre en relation les heures de production annuelles et la consommation d'énergie réelle de la ligne de moulage (machine à mouler, poseur de noyaux, ainsi que les lignes de coulée et de refroidissement) avec la production nette, ce qui montre un potentiel certain pour une consommation inférieure à 10 kWh/tonne.

Compte tenu de ce résultat, DISA n'a rien à craindre lorsque l'on compare le procédé de moulage vertical DISAMATIC avec d'autres procédés de moulage et la consommation d'énergie n'est que de 20 % environ de celle des lignes en châssis.

La production de disques et de tambours de freins nécessite la plus grande capacité possible au moindre coût possible permettant ainsi de réduire votre coût par coulée. Le procédé de moulage DISAMATIC plus que tout autre répond à ces exigences. La conception de la machine est simple et robuste et ne nécessite au maximum que deux entraînements principaux supplémentaires : l'un pour la machine à mouler et l'autre pour les lignes de coulée et de refroidissement. La séparation verticale des moules permet de placer le système de masselottes, ainsi que l'aération des cavités du moule, dans la ligne de séparation.

D'autres systèmes ou sources de perturbations tels que les dispositifs d'aération et de forage (normal dans le moulage en châssis) ne sont pas nécessaires. La production ne nécessite normalement qu'une seule ligne de refroidissement, éliminant ainsi le besoin de filtres et les entraînements requis par ceux-ci.

L'absence de châssis signifie qu'il n'est pas nécessaire de découper les moules, ce qui simplifie la séparation du sable vert. Il n'est pas non plus nécessaire de recycler et de nettoyer les palettes et les châssis. L'éventail de machines et d'outils supplémentaires requis par les lignes en châssis à démotter entraîne des coûts d'investissement plus élevés, qui dans certains cas peuvent représenter les coûts d'investissement d'une ligne DISAMATIC, et qui doivent être pris en compte lors de la détermination du coût par coulée. Les niveaux d'interférence imposés par les lignes en châssis à démotter et leurs entraînements indiquent également un temps de fonctionnement plus élevé des systèmes sans châssis à séparation verticale.

Les coûts d'entretien courant et de pièces de rechange varient d'une fonderie à l'autre, mais peuvent être estimés approximativement à environ 3 % des coûts d'investissement annuels basés sur les achats externes. Bien que le pourcentage soit probablement le même pour chaque processus, la charge des coûts absolus n'est certainement pas la même.

Si l'on considère les coûts d'investissement, l'intensité de production, la consommation de ressources, le temps de fonctionnement et l'entretien sont autant d'avantages économiques évidents pour la technologie de moulage vertical. Un autre domaine au moins aussi important est la technologie d'application qui détermine la production nette, la qualité des pièces moulées et la texture de surface du moule.

L'un des principaux avantages de la DISAMATIC est sa grande vitesse. D'autre part, une vitesse élevée exige un temps de cycle de coulée très court. L'avantage d'une grande vitesse de rotation combinée à la coulée nécessite un système de masselottes de grande taille. Des vitesses de coulée plus élevées pourraient être une raison pour des taux de rebut plus élevés. A la GIFA 2011, DISA a présenté le système DIS qui permet un double indexage de la chaîne de moules, augmentant ainsi le temps de coulée par le coulage simultané de deux moules. Parallèlement, plusieurs fournisseurs proposaient des solutions de coulée qui permettaient aux fonderies d'exploiter les avantages offerts par le double indexage.

Cette évolution nous permet d'augmenter nos performances et de les utiliser de différentes façons. Le temps de coulée plus long peut permettre une réduction des sections transversales du système de masselottes, tout en libérant de l'espace pour des pièces moulées supplémentaires ou en permettant une meilleure découpe de la cavité. Le temps de coulée plus long de la chaîne de moules et le coulage simultané de deux moules peut limiter le temps de cycle de la ligne de moulage. Ainsi, il y a plus de temps pour couler d'autres moules, ce qui permet de réduire davantage le nombre de défauts de coulée. Une combinaison partielle des deux avantages est ainsi possible. Ces avantages sont présentés dans le tableau 3.

L'image 3 montre le groupe qui constitue la base de l'information dans le tableau 3. Les calculs pour les systèmes de masselottes utilisant un seul indexage sont similaires à ceux d'un double indexage. Les différences résident dans les sections transversales des systèmes de masselottes, qui sont cependant très difficiles à voir dans la représentation visuelle (photo 3). En prolongeant le temps de coulée à l'aide du double indexage de 10,4 à 13,3 secondes, il a été possible de réduire la vitesse de coulée de 4,5 à 3,5 kg/s. Cela signifiait entre autres choses que la taille du gobelet de coulée pouvait être réduite du nº 5 au nº 4. Les longueurs de glissières et les sections transversales du système de masselottes par rapport au modèle pourraient également être réduites. Cela a permis d'augmenter le rendement de 3,5 %. Parallèlement, la capacité de moulage est passée de 290 à 322 moules par heure. Cependant, le coulage peut également avoir lieu à 4,5 kg/s avec un rendement de 79%, ce qui permet d'augmenter la capacité de moulage à 370 moules par heure en utilisant un double indexage.

Bien que la nature des défauts de coulée soit fondamentalement différente dans la fabrication des disques de frein par moulage en utilisant des processus de moulage vertical et horizontal, les taux de rejet sont comparables. Les microporosités présentes sur les lignes verticales correspondent à des évents dans les lignes horizontales. Tout fondeur expérimenté est conscient de ces problèmes dans les processus respectifs et sait comment y remédier.

Il n'y a pas de différences décelables après usinage et montage des disques de frein dans les voitures entre les deux procédés de production. Un grand constructeur automobile mondial a confirmé qu'il n'existe pas de différences qualitatives dans le fonctionnement à long terme entre les disques de frein fabriqués selon un procédé vertical ou horizontal.

Un inconvénient courant, en particulier pour les grandes lignes de moulage DISAMATIC, est la pression ferrostatique qui se produit lors de la coulée du moule. Ces lignes de moulage vertical avec des hauteurs de moule de 700 et 800 mm sont présentes dans les fonderies depuis 1977. En 1979, la première DISAMATIC 2070-A a été mise en service dans une fonderie de disques de frein avec des dimensions de moules de 700 x 950 mm. Ainsi, nous avons 35 ans d'expérience avec les problèmes et les solutions. Les effets de la pression ferrostatique peuvent être gérés par le système de masselottes, mais il y a des limites. Pour la production de disques de frein, des hauteurs de moule supérieures à 800 mm ne sont pas recommandées par les fournisseurs de machines à mouler.

Le pressage double face des moules en sable par les plaques-modèles assure une dureté maximale sur la surface du moule, qui diminue légèrement vers le centre du moule. Pour obtenir cet avantage naturel du procédé de moulage vertical dans un procédé de châssis horizontal, il est nécessaire d'intégrer des cadres de remplissage secondaires avec la frette de modèle. Les cadres de remplissage secondaires sont utilisés pour augmenter la stabilité du moule dans les zones limites des châssis et pour assurer les angles de dépouille bas souhaités.

Dans les lignes de châssis à démotter, des dispositifs de fermeture sont nécessaires pour fermer la partie de dessus et le dessous, mais avec le risque de désassortiment dû à un jeu déterminé mécaniquement dans les réglages. L'usure normale des axes et des bagues de tous les châssis doit être surveillée en permanence. D'autre part, dans les lignes à séparation verticale, le moule fini sera poussé hors de la chambre du moule sous la direction de la plaque-modèle et placé en contact avec le moule précédent. Cela permet de réduire considérablement les désassortiments et, par conséquent, les exigences d'ébarbage plus élevées.

Dans le processus vertical, les bandes collées sur la surface des plaques-modèles terminant au sommet du moule suffisent pour aérer la cavité du moule pendant le processus de coulée. Les dommages dans le groupe moulé par perçage ou perçage ultérieur des trous d'évent sont ainsi également éliminés.

Le choix de la technique de moulage a également une influence décisive sur le circuit de sable vert. Dans le processus horizontal, la quantité de sable peut être régulée dans une certaine mesure en pressant la partie de dessus de manière excessive. Il n'est pas rare que les rapports métal-sable varient de 1:3 à 1:12. Les problèmes de refroidissement par sable et d'égalisation du sable dans l'usine de sable sont par conséquent graves. Les problèmes de qualité qui en résultent auront un impact considérable sur le résultat de la production. Le sable vert utilisé doit être préparé de manière optimale à une température de 40°C.

Les systèmes de moules à séparation verticale avec épaisseur de moule réglable s'avèrent avantageux à cet égard. L'API des lignes de moulage verticales calcule un rapport fer-sable constant. La fonderie peut cependant profiter de la faible hauteur du modèle dans la production des disques de frein pour faire des ajustements selon ses propres besoins. Dans ce cas, toutefois, la plage ci-dessus n'est pas atteinte. Ce rapport constant signifie que la charge thermique sur le sable du moule est relativement uniforme - un avantage pour lequel tout département de qualité de fonderie est reconnaissant. Le débordement de sable qui se produit dans les équipements de moulage en châssis horizontaux est pratiquement inexistant dans le processus vertical, ce qui signifie que les moules à sable peuvent être conçus pour être plus petits, réduisant ainsi la consommation d'énergie.

La fonderie sud-coréenne Hyundai Sungwoo Automotive a démarré la production en mai 1987 à Pohang en Corée du Sud avec un système de moulage en châssis de dimensions 900 x 700 x 250 / 250 mm. 410 collaborateurs travaillent sur une surface de 60 000 m². La capacité annuelle de la fonderie est de 148 000 tonnes. En 2013, 121 000 tonnes de pièces moulées ont été produites, pour atteindre 127 000 tonnes en 2014. La fonderie produit des pièces moulées automobiles en GJL et GJS. La machine de moulage a été remplacée en 2012, ce qui permet d'obtenir un temps de production de disques de frein de 15,2 secondes. En 2005, deux machines de moulage DISA 240-C d'une dimension de moule de 600 x 850 x 150 x 150 mm à 500 mm et d'un temps de cycle de 9,3 secondes ont été mises en service pour la production de disques de frein à côté d'une installation de moulage en châssis de même taille que l'autre avec un temps de cycle de 20 secondes pour les autres pièces moulées automobiles. Toutes les installations produisant des disques de frein sont directement reliées à des tambours de refroidissement et à des machines de grenaillage en continu.

Un flux de production similaire et une durée de production d'environ 4 500 heures sur les deux sites en 2013 permettent de comparer directement les performances de l'usine de moulage en châssis à démotter et de l'ancienne DISA 240-C. Les deux systèmes ne fabriquent que des disques de frein, qui sont toutefois distribués différemment entre les usines en raison de leurs dimensions.

La DISA 240-C est équipée d'un système de distribution rigide avec un noyau filtrant pour le transport des noyaux vers un robot poseur de noyau. Les deux noyaux et le noyau du filtre sont placés en position fixe (tableaux 4 et 5). Les disques de frein sont fabriqués dans une gamme de diamètres compris entre 260 et 325 mm sur la DISAMATIC afin d'obtenir une efficacité du système acceptable. Les disques plus petits, ainsi qu'un disque plus grand, sont réalisés sur la ligne de moulage horizontale (images 7 et 8). La ligne de moulage horizontale produit deux grands disques ou jusqu'à six petits disques par caisse de moule (Tableau 4), tandis que la DISAMATIC produit toujours deux disques par moule.

La fonte est utilisée dans les deux procédés pour les modèles et les plaques-modèles. Leur durée de vie prévue dans chaque procédé est de 400 000 cycles avant la mise au rebut. Le coût de ces outils pour des modèles comparables varie considérablement sur le marché sud-coréen. Cela signifie que les coûts des boîtes à noyaux fabriquant les noyaux pour le procédé de moulage DISAMATIC ne représentent que 70 % de ceux des boîtes à noyaux comparables pour la ligne en châssis à démotter. Les prix des modèles et des plaques-modèles pour le procédé vertical sont également plus avantageux, puisqu'ils ne représentent que 74 % de ceux utilisés sur la ligne en châssis à démotter.

Nous manquons de données détaillées dans le domaine du désassortiment et de la précision dimensionnelle des pièces moulées. Il ne semble pas y avoir de différences significatives entre les deux processus. 5 mm sont ajoutés au diamètre de toutes les pièces moulées pour l'usinage, qui est réalisé à 100% en interne, ce qui permet un retour direct en cas de problèmes de qualité.

Le système de masselottes rationalisé développé par DISA a permis une optimisation significative de la fonderie en termes de rendement. Le poids total d'un groupe de deux disques coulés à l'aide d'une technologie de masselotte conventionnelle était de 35,9 kg. Le gobelet verseur et la masselotte représentaient 12,9 kg, ce qui a donné un rendement de 64,7 %. L'introduction de nouvelles technologies a permis de réduire la part du gobelet verseur et de la masselotte à 8,2 kg. Le poids total du groupe coulé est ainsi tombé à 31,4 kg, ce qui a augmenté le rendement à 73,9%. Le rendement de l'installation de moulage en châssis est de 73%.

Il n'est pas possible de comparer la consommation d'énergie des deux machines de moulage dans cette fonderie. Il ne fait cependant aucun doute que le procédé de moulage vertical présente des avantages considérables. Il est cependant possible de comparer la consommation d'énergie de chaque ligne de production, y compris les unités de filtration, les convoyeurs vibrants, les unités d'alimentation en sable, les bandes transporteuses et les tambours de refroidissement. La consommation d'énergie par heure de la ligne de production en châssis à démotter est de 625 kWh, tandis que la ligne de production DISAMATIC n'en consomme que 232 kWh. Aucune de ces deux valeurs ne tient compte de la consommation d'énergie des dispositifs de coulée chauffée. Les deux systèmes disposent de leur propre installation de préparation du sable vert (120 t/h chacun) provenant de fabricants différents. Ceci est nécessaire en raison des distances entre les lignes de production et des différentes exigences sur le sable vert. En 2013, la consommation d'énergie de l'usine de sable à séparation verticale s'élevait en moyenne à 530 kW/h, tandis que la consommation de l'usine de sable à séparation horizontale était de 540 kW/h.

L'article compare différents aspects de la production de disques de frein en utilisant des lignes de moulage sans châssis à séparation verticale et des lignes de moulage en châssis à démotter à séparation horizontale. Dans la première section, le procédé de moulage vertical présente des avantages en termes de coûts d'investissement. La discussion porte sur la densité de production annuelle en tonnes par mètre carré de la surface de fonderie utilisée. L'utilisation de la surface est un facteur important par rapport à la production. En outre, la consommation d'énergie annuelle des lignes de moulage par rapport aux pièces moulées produites est discutée, démontrant une fois de plus les avantages évidents de la technologie DISAMATIC. Les développements dans le procédé de moulage vertical sont testés pour leurs effets sur l'application de la technologie. L'augmentation possible du rendement ou du volume de production suggère un potentiel supplémentaire d'optimisation des coûts dans la fonderie

Dans la deuxième section, une comparaison entre deux technologies de moulage pour la production de disques de frein (figures 9 et 10) est effectuée sur la base des données de production de la fonderie sud-coréenne Hyundai Sungwoo. Les deux usines sont en exploitation depuis plusieurs années, ce qui nous permet de tirer des leçons de l'expérience acquise en matière de maintenance. La performance de l'équipement ainsi que les temps de rebut et de disponibilité respectifs ont été comparés. Dans ce cas, on ne constate aucune différence significative de performance, de rendement et de qualité entre les technologies. Le procédé de moulage DISAMATIC offre cependant des avantages en termes de coûts d'outillage et de consommation d'énergie.

[1] Institute of Foundry Technology GmbH : « fonderie éco-énergétique » (Version 1.0) Düsseldorf 2008