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Un des composants clefs des réseaux ferroviaires, qu’ils soient à grande vitesse ou urbain, est le cœur de voie. Se situant au centre des appareils de voie, il a pour objectif d’assurer la continuité des itinéraires qui se croisent. De par sa fonction, le cœur de voie est soumis à des contraintes importantes telles que les fortes charges/pressions et les impacts, entraînant des usures de type déformation et arrachement.
Une fois l’usure constatée, ces composants peuvent être réparés sur site, suivant une procédure de soudage bien précise. L’objectif premier étant de reconstituer la géométrie souhaitée par soudage à l’arc électrique, grâce à un dépôt de matière, pour ensuite procéder à une opération de profilage par meulage avant remise en service.
De manière générale, lorsque le cœur de voie a subi plusieurs réparations sur site, une nouvelle opération de soudage à l’arc n’est alors plus tolérée par le gestionnaire du réseau par crainte d’avoir trop détérioré les caractéristiques mécaniques initiales du cœur (en raison des différents cycles thermiques induits par les opérations de soudage). Le cœur usé est alors rebuté (pour être recyclé) et remplacé par un neuf.
LA FABRICATION ADDITIVE POURRAIT PERMETTRE DE REPENSER LE CYCLE DE VIE DE CES COEURS DE VOIE
Voici maintenant quelques dizaines d’années que l’impression métallique 3D est utilisée avec succès dans l’industrie, et ce avec différents procédés (arc, laser, etc.). Ces technologies de fabrication permettent d’élaborer des pièces à géométrie bien souvent complexe, par ajouts de matière et superpositions de couches.
Cette nouvelle manière de concevoir et fabriquer ouvre le champ des possibilités en apportant des avantages non négligeables en matière de temps de réalisation, mais aussi de coûts.
Dans cet article, le procédé utilisé repose sur l’utilisation du soudage par faisceau laser avec métal d’apport sous forme de fil fourré. Communément désigné par les acronymes WLAM (Wire Laser Additive Manufacturing) ou Ded-Clad-w (Wire Directed Energy Deposition), ce procédé consiste à fondre à l’aide d’un faisceau laser focalisé un fil de métal, afin de constituer un dépôt dont les dimensions sont complètement maîtrisées. Cette technique hautement productive est utilisée pour fabriquer des pièces de grandes dimensions (plusieurs mètres).
L’utilisation d’un fil fourré à poudre métallique va permettre de gagner en productivité grâce à une fusion beaucoup plus rapide du métal d’apport (l’enveloppe tubulaire d’un fil fourré fond plus rapidement qu’une section pleine de fil plein). Il sera aussi possible d’adapter et ajuster la chimie du métal déposé en travaillant sur la formule de fabrication du fil (tout en restant sur des quantités de fabrication de lot raisonnable).
- La reconstruction – alternative respectueuse de l’environnement
La reconstruction par fabrication additive WLAM permet de prolonger le cycle de vie du cœur. Ainsi, au lieu de retourner dans une aciérie pour être recyclé, le cœur pourra être entièrement reconditionné au sein d’un atelier spécialisé.
La première étape consiste à supprimer la partie du cœur affectée par l’usure, en s’assurant d’atteindre la matière d’origine saine et non affectée. Après avoir contrôlé la qualité du métal de base du cœur restant, une capture 3D est réalisée à l’aide d’un outil de métrologie portable. Cela permet de simuler la stratégie de fabrication additive laser fil pour ainsi reconstruire la forme originale du cœur. Il restera alors à appliquer la procédure de soudage adéquate (paramètres, cycles thermiques, etc.) afin de superposer les couches nécessaires d’une qualité optimale suivant la géométrie souhaitée.
- La conception nouvelle – alternative technico-économique
À ce jour, les cœurs de voie sont des pièces de fonderie ayant une composition chimique qui varie en fonction des réseaux et des besoins. En superposant les couches nécessaires sur un support de base (ex.: acier C-Mn de groupe 1), la fabrication additive permettra de réaliser des cœurs de grande dimension et de géométrie variable dans l’alliage choisi par le client :
- acier faiblement et moyennement allié procurant des duretés importantes (350–600HB) ;
- acier fortement allié permettant de répondre à des sollicitations/usures fortes ;
- acier austénitique au Cr-Mn ou Cr-Ni-Mn ayant des propriétés d’écrouissage ;
- empilement de couches avec plusieurs alliages permettant de répondre aux sollicitations le plus précisément possible.
Le recours au procédé Ded-Clad laser-fil en fabrication additive confère donc plusieurs avantages :
- la réduction des coûts de production ;
- la personnalisation du composant ;
- l’amélioration globale des performances.
Irepa Laser(1) et Welding Alloys France ont allié leurs connaissances et compétences en soudage laser et fabrication additive pour réaliser un cœur de voie de démonstration.
Quelques informations clefs :
Le cœur de voie utilisé était voué au rebut et prêt à suivre son cycle de recyclage
→ Matière de base = 400 HB
→ Dimension de la pièce : 1 870 x 800 x 370 mm (370 kg)
→ Fil fourré poudre métallique Welding Alloys = Hardface AP-G auto-écrouissable
→ Préparation du cœur = Arc-air et meulage
→ Génération d’un modèle 3D à l’aide d’un scanner à technologie lumière blanche = 30 min
→ Programmation hors-ligne (définition des stratégies, paramètres et simulation
Post processing) = 1 heure 30 minutes
→ Temps de reconstruction par procédé Ded-Clad laser-fil = 11 heures
→ Quantité de fil fourré utilisé = 13 kg
(1) Irepa Laser est une société coopérative d’intérêt collectif (SCIC) spécialisée dans les procédés laser et les matériaux. Elle propose à ses clients des solutions industrielles sur mesure pour les accompagner dans leurs projets de développement et d’industrialisation de produits. Elle agit au niveau national avec une ambition européenne. La nature de nos activités et l’empreinte que nous laissons, sont au coeur d’enjeux de société pouvant avoir trait à l’humain, à l’environnement ou à l’éthique. Face à ces enjeux, Irepa Laser et ses associés ont pour ambition de devenir leaders des procédés de fabrication innovants et responsables grâce au laser.
(2) Welding Alloys France SAS (WAF) est une filiale du groupe Welding Alloys, groupe familial établi dans plus d’une vingtaine de pays sur tous les continents. Sa raison d’être est l’amélioration de la durabilité des equipements industriels de nos clients. Sa compétence : le rechargement par soudage de matériaux résistants à l’usure. Pour ce faire, elle développe et fabrique ses propres fils de soudure et ses propres machines de soudage automatique, mais elle propose également, grâce à des équipes de soudeurs spécialisés, de réparer les installations / pièces de ses clients pour eux, sur leurs propres sites de production ou dans ses ateliers.