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Procédé de fabrication d'une pièce par fonderie à la cire perdue et
refroidissement
dirigé
Domaine technique
La présente invention concerne le domaine des pièces métalliques, telles
que des aubes de turbomachine obtenues par coulée de métal dans un moule
carapace et vise un procédé de fabrication de ces pièces avec solidification
dirigée
de type colonnaire ou monocristallin.
Art antérieur
Le procédé de fabrication de pièces métalliques par fonderie à la cire
perdue, comprend une succession d'étapes rappelées ci-après. Des modèles des
pièces à fabriquer sont d'abord élaborés en cire ou en un autre matériau
provisoire.
Le cas échéant les modèles sont réunis en une grappe autour d'un fût central
également en cire. Une carapace en matériau céramique est ensuite formée sur
les
modèles, ainsi assemblés, par trempages successifs dans des barbotines de
composition appropriée comprenant des particules de matières céramiques en
suspension dans un liquide, alternés de saupoudrages de sable réfractaire. On
élimine ensuite le modèle en cire tout en consolidant par chauffage le moule
carapace ainsi formé. L'étape suivante consiste à couler un alliage
métallique,
notamment un superalliage de nickel, en fusion dans le moule carapace puis à
refroidir les pièces obtenues de manière à en diriger la solidification selon
la
structure cristalline désirée. Après solidification, la carapace est éliminée
par
décochage pour en extraire les pièces. Enfin on procède aux étapes de finition
pour
éliminer les excès de matière.
L'étape de refroidissement et solidification est donc contrôlée. La
solidification de l'alliage métallique étant le passage de la phase liquide à
la phase
solide, la solidification dirigée consiste à faire progresser la croissance de
"germes" dans le bain de métal fondu selon une direction donnée, en évitant
l'apparition de germes nouveaux par le contrôle du gradient thermique et de la
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vitesse de solidification. La solidification dirigée peut être colonnaire ou
monocristalline. La solidification dirigée colonnaire consiste à orienter tous
les
joints de grains dans la même direction, de telle manière qu'ils ne
contribuent pas à
la propagation de fissures. La solidification dirigée monocristalline,
consiste à
supprimer totalement les joints de grains.
On procède à la solidification dirigée, colonnaire ou monocristalline, de
manière
connue en soi en plaçant le moule carapace, ouvert en sa partie inférieure,
sur une
sole refroidie, puis en introduisant l'ensemble dans un équipement de chauffe
capable de maintenir le moule céramique à une température supérieure au
liquidus
de l'alliage à mouler. Une fois la coulée effectuée, le métal situé dans des
ouvertures ménagées au bas du moule carapace se solidifie quasi-instantanément
au contact de la sole refroidie et se fige sur une hauteur limitée de l'ordre
du
centimètre sur laquelle il présente une structure granulaire équi-axe, c'est-à-
dire
que sa solidification sur cette hauteur limitée s'effectue de façon naturelle,
sans
direction privilégiée. Au-dessus de cette hauteur limitée, le métal demeure à
l'état
liquide, du fait du chauffage extérieur imposé. On déplace la sole à vitesse
contrôlée vers le bas de manière à extraire le moule céramique du dispositif
de
chauffage conduisant à un refroidissement progressif du métal qui continue à
se
solidifier depuis la partie basse du moule jusque vers sa partie haute.
La solidification dirigée colonnaire est obtenue par le maintien d'un
gradient de température approprié en grandeur et en direction dans la zone de
changement de phase liquide-solide, pendant cette opération de déplacement de
la
sole. Cela permet d'éviter une surfusion génératrice de nouveaux germes en
avant
du front de solidification. Ainsi, les seuls germes qui permettent la
croissance des
grains sont ceux qui préexistent dans la zone équi-axe solidifiée au contact
de la
sole refroidie. La structure colonnaire ainsi obtenue est constituée d'un
ensemble
de grains étroits et allongés.
La solidification dirigée monocristalline comprend en outre l'interposition
entre la pièce à mouler et la sole refroidie, soit d'une chicane ou sélecteur
de grain,
soit d'un germe monocristallin ; on contrôle le gradient thermique et la
vitesse de
solidification de telle façon qu'il ne se crée pas de nouveaux germes en avant
du
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front de solidification. Il en résulte une pièce moulée monocristalline après
refroidissement.
Cette technique de solidification dirigée, qu'elle soit colonnaire ou
monocristalline, est couramment utilisée pour réaliser des pièces moulées, et
notamment des aubes de turbomachine, lorsqu'il est souhaitable de conférer aux
pièces moulées des propriétés mécaniques et physiques particulières. C'est
notamment le cas lorsque les pièces moulées sont des aubes de turbomachine.
De plus, de manière connue en soi, lors de la mise en oeuvre d'un procédé
de moulage à cire perdue, avec ou sans solidification dirigée, on utilise des
masselottes, afin de supprimer les défauts de porosité dans des zones
d'extrémité
des pièces à fabriquer. En pratique, on prévoit des volumes excédentaires lors
de
la réalisation des modèles en cire, qui sont placés contre les zones des
pièces qui
sont susceptibles de présenter des défauts de porosité après solidification.
Lors de
la réalisation de la carapace, les volumes excédentaires se traduisent par des
volumes supplémentaires à l'intérieur de la carapace, et se remplissent de
métal en
fusion lors de la coulée, de la même manière que les autres parties de la
carapace.
Les masselottes sont les réserves de métal solidifié qui remplissent les
volumes
supplémentaires dans la carapace. Les défauts de porosité, lorsqu'ils
surviennent,
sont alors déplacés dans les masselottes et ne sont plus localisés dans les
pièces
fabriquées elles-mêmes. Puis, une fois le métal solidifié et refroidi, les
masselottes
sont éliminées lors d'une opération de parachèvement des pièces, par exemple
par
usinage, par tronçonnage ou par meulage.
On connaît par ailleurs, tel que décrit dans le brevet FR 2724857 au nom de
la demanderesse, un procédé de fabrication d'aubes monocristallines, telles
que de
distributeurs de turbine, constituées d'au moins une pale entre deux
plateformes
transversales par rapport aux génératrices de la pale. Le procédé est du type
selon
lequel on alimente le moule en métal fondu à sa partie supérieure. On opère
une
solidification dirigée dont le front progresse verticalement de bas en haut,
on
sélectionne un grain de cristal unique au moyen d'un dispositif de sélection
placé à
la partie inférieure du moule et à la sortie duquel on se trouve en présence
d'un
grain unique d'orientation prédéterminée et de direction se confondant avec la
verticale.
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La présente invention concerne la fabrication de pièces présentant au moins
une cavité et dont le modèle en cire est moulé autour d'un noyau en céramique.
Ce
noyau, lors de la coulée du métal en fusion réserve à l'intérieur de la pièce
le
volume correspondant à la cavité souhaitée. Pour une aube de turbomachine, on
réalise de cette façon les cavités parcourues par le fluide de
refroidissement.
Les noyaux en céramiques pour les aubes de turbomachine comprennent,
selon un mode de fabrication connu, deux portées ou pattes de maintien, une à
chaque extrémité longitudinale. Les modèles sont préparés de telle sorte qu'un
encastrement ou ancrage du noyau céramique est défini au niveau de la zone du
fo pied du noyau dans la partie haute du moule. En effet selon cette
technique le
noyau et le modèle en cire sont montés pied en haut et le sommet en bas. Ainsi
après les opérations de moulage céramique, la carapace céramique formée bloque
le noyau dans cette zone. Lors de la coulée, le métal en fusion remplit
l'empreinte
libérée par la cire qui a été préalablement éliminée. Le métal fondu occupe
l'espace entre le noyau et la paroi de la carapace. La solidification est
ensuite
opérée par le tirage de haut en bas de la sole du four sur laquelle est placée
la
carapace, la solidification progresse depuis le starter dans lequel plusieurs
grains
métalliques solidifient puis successivement dans le sommet de l'aube, la pale
et le
pied. En solidifiant le métal crée un deuxième ancrage du noyau au niveau de
la
portée d'extrémité dans la partie de début de solidification. Le noyau est
alors tenu
à ses deux extrémités et est contraint en compression. Il s'ensuit une
déformation
du noyau par flambage. Le noyau ne respecte plus sa position théorique et des
défauts peuvent apparaître sur la pièce : des épaisseurs de paroi métallique
peuvent
ne pas être respectées, ou alors le noyau sous l'effet des contraintes des
deux
encastrements à ses deux extrémités perfore la paroi métallique de l'aube par
flambage. Dans ces deux cas la pièce doit être mise au rebut.
Par ailleurs, le positionnement de l'encastrement en début de solidification
présente l'inconvénient de perturber le front de solidification naissant avec
le
risque de générer des grains parasites ou de la désorientation. En outre, il
existe
dans le cas du monocristal un risque de défaut de recollement des fronts
croissants
de part et d'autre de la zone d'encastrement.
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Exposé de l'invention
L'invention a donc pour objet un procédé de fabrication d'une pièce qui
pallie les problèmes présentés ci-dessus.
5 Le procédé, conforme à l'invention, de fabrication par fonderie
à la cire
perdue d'une pièce métallique en alliage de nickel, à structure colonnaire ou
monocristalline avec au moins une cavité de forme allongée, comprenant les
étapes suivantes de réalisation d'un modèle en cire de la pièce avec un noyau
céramique correspondant à ladite cavité, le noyau céramique comportant une
première portée de maintien à une extrémité longitudinale et une seconde
portée
de maintien à l'extrémité opposée,
réalisation d'un moule carapace autour du modèle, le moule comprenant
une base et la première portée du noyau étant du côté de la base,
mise en place du moule dans un four, la base étant posée sur la sole du four,
coulée dudit alliage en fusion dans le moule carapace,
solidification dirigée du métal coulé par refroidissement progressif depuis la
sole selon une direction de propagation,
est caractérisé par le fait que le noyau est rendu solidaire du moule carapace
par un
moyen d'ancrage entre la première portée du noyau et la paroi du moule, la
seconde portée du noyau étant retenue dans le moule par un moyen de maintien
glissant sur la paroi du moule.
La solution de l'invention permet d'éviter la déformation du noyau lors de
la progression de la solidification dirigée car le noyau n'est pas retenu par
ancrage
à ses deux extrémités. Il n'est ainsi pas mis en compression par les
contraintes qui
résulteraient de la différence des coefficients de dilatation entre le moule
et le
noyau. Il n'y a par ailleurs pas de risque de génération de grains parasites
ou de
défauts de recollement du grain principal.
La solution de l'invention garantit également la position du noyau pendant
toute la phase de fabrication de la pièce : du modèle en cire à la coulée et
la
solidification de la pièce.
Avantageusement, le moyen d'ancrage comprend une tige, plus
particulièrement en céramique réfractaire, alumine par exemple, traversant la
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première portée et la paroi du moule. De préférence la tige céramique est de
faible
diamètre de l'ordre du millimètre. La tige traverse le modèle en cire et le
noyau
qui ont été préalablement percés à un diamètre légèrement supérieur à celui de
la
tige pour éviter que des contraintes soient engendrées à ce niveau.
Conformément à une autre caractéristique, le moyen de maintien glissant
est formé par un espace ménagé entre la portée et la paroi du moule, cet
espace est
obtenu par le biais d'une pellicule de vernis de dilatation déposée sur la
surface de
la portée à la réalisation du modèle. Celle-ci est ensuite éliminée lors de
l'opération de décirage du moule. Il s'agit par exemple d'un matériau de type
vernis à ongles permettant d'obtenir des épaisseurs de quelques centièmes de
millimètre par couche. Un vernis convenant à cette application comprend des
solvants, de la résine, de la nitrocellulose et des plastifiants. Par exemple,
un
vernis tel que celui Thixotropic base commercialisé sous le nom commercial
:
Vernis à ongles Peggy Sage toutes formules peut être utilisé dans le procédé
de
la présente invention.
Cette pellicule est plus précisément interposée entre la seconde portée et la
paroi du moule. Elle est appliquée, avant la formation du moule carapace, sur
les
surfaces de la seconde portée qui sont parallèles à la direction de la
progression du
refroidissement ; c'est-à-dire dans le cas d'une sole mobile, parallèle à la
direction
de tirage de la sole mobile. Cette pellicule de vernis est de préférence de
faible
épaisseur de l'ordre de 3 à 5 centièmes de millimètre. Elle a pour but
d'éviter
d'une part que la paroi du moule vienne coller au noyau dans cette zone et
d'autre
part de créer un espace libre, après décirage, de faible épaisseur permettant
le
guidage longitudinal de la seconde portée par rapport au moule et évitant au
moule
d'exercer une contrainte sur le noyau.
Les surfaces de la seconde portée qui ne sont pas parallèles à l'axe de la
progression de la solidification, axe de tirage, sont couvertes initialement
par un
dépôt de cire de manière à ménager, après décirage, un espace entre les dites
surfaces de la seconde portée et la paroi du moule. Cet espace empêche,
pendant la
coulée de métal en fusion, le contact entre la paroi de la carapace et la
seconde
portée du noyau, et évite la mise sous contrainte du noyau dans cette zone
pendant
la solidification. Typiquement, l'épaisseur de ce dépôt de cire est de l'ordre
du
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millimètre pour des pièces présentant une longueur de 100 à 200 mm soit
environ
1% de la longueur de la pièce.
Le procédé permet la fabrication simultanée de plusieurs pièces. Les
modèles desdites pièces sont dans ce cas rassemblés en une grappe à
l'intérieur
d'un moule carapace.
Le procédé s'applique à la fabrication d'au moins une pièce métallique à
structure colonnaire, un moyen de germination de la structure cristalline
étant
ménagé entre le moule et la sole du four.
Le procédé s'applique à la fabrication d'au moins une pièce à structure
monocristalline, un sélecteur de grain étant ménagé entre l'élément de
germination
et le moule.
L'invention s'applique en particulier à la fabrication d'une aube de
turbomachine, la première portée étant dans le prolongement du sommet de la
pale
de l'aube, la seconde portée étant dans le prolongement du pied de l'aube.
Le procédé utilise avantageusement un four dont la sole est mobile
verticalement entre une zone chaude où le métal est en fusion est une zone
froide
de solidification du métal, la sole étant elle-même refroidie.
Brève description des figures
D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui suit
d'un mode de réalisation de l'invention, donné à titre d'exemple non
limitatif, en
référence aux dessins annexés sur lesquels
La figure 1 représente une aube de turbomachine pouvant être obtenue
selon le procédé de l'invention ;
La figure 2 représente schématiquement un noyau en céramique pour aube
de turbomachine ;
La figure 3 représente le noyau de la figure 2 vu de profil.
La figure 4 représente schématiquement un modèle en cire avec le noyau de
la figure 2;
La figure 5 représente le moule carapace vu en coupe longitudinale au
travers du noyau;
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La figure 6 représente un exemple de four permettant la solidification
dirigée de métal coulé dans un moule carapace ;
La figure 7 est une vue agrandie de l'extrémité haute du moule carapace
montré sur la figure 5.
Description d'un mode de réalisation de l'invention
La présente invention concerne un procédé de fabrication de pièces
métalliques en alliage à base nickel permettant par une solidification dirigée
fo appropriée d'obtenir une structure cristalline colonnaire ou
monocristalline.
L'invention vise plus particulièrement la fabrication d'aubes de turbomachine
telle
que celle représentée sur la figure 1 ; une aube 1 comprend une pale 2, un
pied 5
permettant son attache sur un disque de turbine, et un sommet 7 avec le cas
échéant un talon. En raison des températures de fonctionnement de la
turbomachine, les aubes sont pourvues d'un circuit interne de refroidissement
parcouru par un fluide de refroidissement, généralement de l'air. Une
plateforme 6
entre le pied et la pale constitue une portion de la paroi radialement
intérieure de la
veine de gaz. La pièce représentée ici est une aube mobile mais l'invention
s'applique aussi à un distributeur ou encore à toute autre pièce présentant un
noyau.
En raison de la complexité du circuit de refroidissement à l'intérieur de la
pièce, il
est avantageux de la réaliser par fonderie à la cire perdue avec un noyau en
céramique pour ménager les cavités du circuit de refroidissement.
Les figures 2 et 3 représentent schématiquement un noyau de forme simplifiée,
en
céramique, utilisé pour ménager les cavités internes d'une aube de
turbomachine.
Le noyau 10 de forme allongée comprend une branche ou une pluralité de
branches 11 séparées par des espaces 12 pour, après la coulée du métal, former
les
cloisons entre les cavités ; sur l'exemple représenté, le noyau comporte deux
branches 11 séparées par un espace 12. A une extrémité, le noyau est prolongé
par
une portée ou patte 14 dont la fonction est de maintenir le noyau pendant la
fabrication de la pièce mais qui ne correspond pas nécessairement à une partie
de
la pièce, une fois que celle-ci est achevée. A l'extrémité opposée le noyau
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comprend une seconde portée 16 pour le maintien aussi du noyau pendant les
étapes de fabrication. On observe sur la figure 3 que le noyau tel que
représenté est
relativement fin par rapport à sa longueur. On comprend que plus le noyau est
fin
par rapport à sa longueur plus sensible il sera au flambage.
Ce noyau est placé dans un moule pour la fabrication du modèle en cire.
L'empreinte de ce moule est à la forme de la pièce à obtenir. Par injection de
cire
dans ce moule, on obtient le modèle de la pièce. Les portées 14 et 16 servent
au
maintien du noyau dans le moule à cire. La figure 4 représente schématiquement
ce modèle 20 en cire avec le noyau 10 en traits pointillés. Le modèle s'étend
à une
première extrémité 24 dans le prolongement de la pale de manière à recouvrir
la
portée 14 et à l'extrémité opposée 26, au niveau du pied. On note qu'une
partie
16A de la portée 16 n'est pas recouverte de cire. Cette partie 16A comprend
des
surfaces parallèles à l'axe du noyau et est revêtue d'un vernis dont la
fonction est
expliquée plus loin.
Plusieurs modèles sont généralement assemblés en grappe de manière à
fabriquer plusieurs pièces simultanément. Les modèles sont par exemple
disposés
en tambour parallèlement autour d'un cylindre central vertical et maintenus
par les
extrémités. La partie inférieure est montée sur un élément destiné à assurer
la
germination de la structure cristalline. L'étape suivante consiste à
constituer un
moule carapace autour du ou des modèles. Dans ce but, comme cela est connu
également, l'assemblage est trempé dans des barbotines de manière à déposer en
couches successives les particules céramiques réfractaires. Le moule est enfin
consolidé par chauffage et la cire éliminée par l'opération de décirage.
On a représenté sur la figure 5, en coupe longitudinale, schématiquement
l'agencement de l'invention entre le noyau 10 et la carapace 30 au niveau d'un
seul modèle 20.
La première portée 14 est maintenue dans le moule 30 par une tige en
céramique réfractaire 40, qui la traverse et s'étend dans la paroi du moule 30
en y
étant encastrée. La tige 40 a été mise en place avant la réalisation du moule
carapace, après que le modèle a été percé au niveau de la portée 14. Le
perçage est
de diamètre légèrement supérieur à celui de la tige de manière qu'il ne se
crée pas
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de contraintes entre la tige et la portée et que la tige assure un
positionnement
correct du noyau dans le modèle.
La seconde portée 16, opposée à la première, est initialement revêtue d'une
couche de vernis 17 sur la partie 16A du noyau qui n'est pas recouverte de
cire et
qui après constitution du moule carapace vient au contact direct avec la paroi
interne du moule. Après décirage du moule, comme on le voit sur la figure 5,
la
couche ayant disparu laisse un espace libre entre la portée 16 du noyau et la
paroi
du moule carapace. La référence 17 désigne cet espace libre laissé par la
couche
de vernie. Cet espace 17 est de faible épaisseur, 3 à 5 centièmes de
millimètres. Il
fo
forme un moyen de maintien glissant de la seconde portée 16 sur la paroi de
la
carapace 30.
Par ailleurs, les surfaces ¨ ici la surface horizontalel6B - qui ne sont pas
parallèles à l'axe de la progression de la solidification sont couvertes
initialement
par un dépôt de cire 18. Ce dépôt de cire laisse après décirage un espace
libre, de
même référence 18, qui évite à la portée 16 du noyau de venir en contact avec
la
paroi de la carapace lorsque le noyau se dilate, il évite ainsi la mise sous
contrainte
du noyau. Typiquement, l'épaisseur de ce dépôt de cire est de l'ordre du
millimètre pour des pièces présentant une longueur de 100 à 200 mm soit
environ
1% de la longueur de la pièce.
En n'étant pas contraint le noyau ne risque pas de flamber et les épaisseurs
de paroi initiales de la pièce entre la paroi du moule et le noyau sont
conservées.
La figure 5 montre, en coupe le long de la pièce, le moule carapace 30 et le
noyau 10 à l'intérieur du moule avec les branches 11, les portées 14 et 16. La
coupe du noyau est faite selon la ligne VV de la figure 4. Le volume 30'
correspond à la cire du modèle ou, après solidification de la carapace, à
l'espace
entre la paroi du moule et le noyau à remplir par le métal. La tige 40
traverse la
première portée 14 ; elle est suffisamment longue pour être ancrée dans les
parois
du moule carapace 30. De cette façon, le noyau 10 est positionné à l'intérieur
du
moule carapace 30.
Après décirage et consolidation, le moule est placé sur la sole d'un four
équipé pour la solidification dirigée. Un tel four 100 est représenté sur la
figure 6.
On y voit une enceinte 101 pourvue d'éléments chauffants 102. Un orifice 103
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d'alimentation en métal en fusion communique avec un creuset 104 qui contient
la
charge de métal en fusion et qui en basculant vient remplir le moule carapace
30
disposé sur la sole 105 du four. La sole est mobile verticalement, voir la
flèche, et
est refroidie par la circulation d'eau dans un circuit 106 interne à son
plateau. Le
moule repose par sa base sur la sole refroidie. La partie inférieure du moule
est
ouverte sur la sole par l'intermédiaire d'un organe de germination.
La méthode de fabrication, telle qu'expliquée dans le préambule de la
demande, comprend la coulée du métal en fusion depuis le creuset 104
directement dans le moule 30 qui est maintenu à une température suffisante
pour
conserver le métal en fusion, par les moyens de chauffage 102 de l'enceinte
101 et
où il vient remplir les vides 30' entre le noyau 10 et la paroi du moule 30.
Comme
la base du moule est en contact thermique avec la sole par l'élément de
germination, le métal se solidifie en formant une structure cristalline que se
propage de bas en haut. La sole 105 est refroidie en permanence et est
descendue
progressivement hors de l'enceinte chauffée. Dans le cas d'une structure
monocristalline un sélecteur de grain est interposé entre la germination et la
solidification comme cela est connu en soi.
Les écarts de température importants créent des contraintes entre les
différentes zones du moule avec le métal. Par l'agencement de l'invention et
la
tige 40, le noyau est maintenu par ancrage de la première portée 14 dans la
seule
zone inférieure d'initialisation de la solidification. Comme on le voit sur la
figure
7 le noyau est libre de se dilater différentiellement dans le sens de sa
longueur par
rapport à la carapace 30 car à l'extrémité opposée de la première portée, la
seconde portée 16 est guidée le long de la paroi du moule grâce à l'espace
libre 17
laissé par la couche de vernis, éliminée lors du décirage du moule.
De plus, les surfaces de la seconde portée 16 - ici la surface horizontalel6B
- qui ne sont pas parallèles à l'axe de la progression de la solidification,
grâce à
l'espace libre 18 ménagé par le dépôt de cire ne viennent pas en contact avec
la
paroi de la carapace. On évite ainsi la mise sous contrainte du noyau.
Typiquement, l'épaisseur de cet espace correspondant au dépôt de cire est de
l'ordre du millimètre pour des pièces présentant une longueur de 100 à 200 mm
soit environ 1% de la longueur de la pièce. En n'étant pas contraint le noyau
ne
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risque pas de flamber et les épaisseurs de paroi initiales de la pièce entre
la paroi
du moule et le noyau sont conservés.
Une fois le métal refroidi, on casse le moule et on extrait les pièces qui
sont
dirigées vers l'atelier de finition.
