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WO 2015/114262
PCT/FR2015/050208
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Moule chemisé pour coulée centrifuge
La présente invention concerne un moule de fabrication par coulée
centrifuge de pièces métalliques en particulier d'aubes de turbomachine.
Sont plus particulièrement visées les aubes de roue de turbine d'un
turboréacteur ou d'un turbopropulseur d'avion.
Il est connu de réaliser des aubes de turbomachine par usinage
d'une ébauche obtenue de fonderie par coulée d'un alliage métallique.
L'ébauche est typiquement un barreau en général de forme allongée pleine
et elle est usinée dans la masse pour réaliser la géométrie finale des
aubes.
Une des techniques d'obtention de l'ébauche consiste, comme dans
EP992305, à utiliser un moule rotatif autour d'un axe (A), pour la fabrication
par coulée centrifuge, d'un alliage, le moule comprenant :
- plusieurs chemises, chacune définissant un logement de réception de
l'alliage s'étendant radialement autour dudit axe (A)
- au moins un exosquelette dans lequel sont disposées les
chemises, ledit au moins un exosquelette retenant ces chemises vis-à-vis
d'une force centrifuge.
Un (premier) problème à résoudre concerne le contrôle de la vitesse
de refroidissement pour favoriser l'obtention d'une microstructure maitrisée,
telle un taux d'aluminium homogène dans la pièce, notamment si l'alliage
est à base de TiAl.
Concernant la fabrication par coulée de barreaux dans un moule
permanent centrifugé, on note en outre que les conditions de coulées
conduisent à un second problème, à savoir, l'usure rapide des moules, ce
qui impose d'en changer souvent, ce qui est cher et impacte les conditions
de fabrication, notamment les cadences. Ceci a également un impact sur
les formes données aux moules, donc aux pièces moulées.
La présente invention permet de remédier à au moins une partie des
inconvénients précités de façon simple, efficace et économique.
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A cet effet, elle propose que, transversalement à la direction radiale
(B) suivant laquelle chaque chemise s'étend, un espace existe
périphériquement entre ladite chemise et l'exosquelette qui l'entoure.
Ainsi, non seulement on va pouvoir dissocier les caractéristiques
physiques du ou des exosquelettes de caractéristiques physiques des
chemises qui pourront en particulier être de faible épaisseur et/ou dans un
matériau différent de celui du/des exosquelettes, mais aussi gérer
favorablement l'inertie thermique, en vue de favoriser un refroidissement
homogène de la forme de l'alliage coulé. Prévoir que l'espace entre ladite
chemise et l'exosquelette est défini au sein d'une structure alvéolaire
s'étendant périphériquement entre chaque chemise et l'exosquelette qui
l'entoure permettra typiquement de tendre vers les deux buts ci-avant, y
compris, par cette structure en caissons, de favoriser la tenue recherchée
aux efforts mécaniques, et en particulier la retenue des chemises lors de la
centrifugation.
Réaliser le ou les exosquelettes à claire-voie favorisera aussi cette
tenue mécanique aux efforts liés à la centrifugation. Il y a là également un
avantage vis-à-vis de l'inertie thermique qui sera alors plus faible que si le
ou les même(s) exosquelette(s) étai(en)t à paroi pleine.
Par ailleurs et de préférence :
- une fixation, qui peut être amovible, sera établie entre chaque chemise
et
l'exosquelette qui l'entoure et/ou,
- le moule comprendra un bloc central présentant des conduits par lesquels
l'alliage coulera et qui communiqueront avec l'intérieur des chemises, une
fixation amovible étant alors établie entre chaque chemise et/ou
l'exosquelette qui l'entoure et le bloc central.
Ainsi, notamment quand l'usure le demande, on pourra assurer un
remplacement des chemises (par exemple toutes les 25 coulées environ),
tout en assurant le maintien de ces chemises entretemps.
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Les chemises pourront être changées à moindre coût, alors que le
reste de la structure du moule, en particulier le ou les exosquelettes, pourra
être conservé.
Dans ce contexte, on conseille donc que le ou les exosquelettes et
les chemises soient conçus pour que le moule soit permanent, les
chemises devant donc tenir plusieurs coulées de suite (par exemple 25
environ).
Concernant de nouveau la maîtrise de l'inertie thermique permettant un
refroidissement homogène de la forme en métal issue du moule, et en
particulier une maitrise de la vitesse de refroidissement, primordiale pour
obtenir un taux d'aluminium homogène dans une pièce en alliage
métallique à base de TiAl et donc une microstructure maitrisée, il est par
ailleurs recommandé que les chemises du moule, qui renfermeront alors un
tel alliage métallique de TiAl coulé, soient en acier, alliage métallique
et/ou
en céramique, et soient donc adaptées pour qu'y soit coulé de façon
centrifugée ledit alliage en fusion.
Il est aussi recommandé qu'au moins une structure thermiquement
isolante s'étende périphériquement entre chaque chemise et l'exosquelette
qui l'entoure.
Ainsi le ou chaque exosquelette pourra présenter une forme très
simple, pas ou peu travaillée pour cette maîtrise recherchée de l'inertie
thermique, et cela d'autant plus si ladite structure thermiquement isolante
est alvéolaire. A noter par ailleurs qu'une telle solution, de par sa
structure
en caissons, permettra typiquement de favoriser la tenue aux efforts
mécaniques, et en particulier la retenue des chemises lors de la
centrifugation.
Tel est d'ailleurs un effet attendu si, comme conseillé, la chemise
considérée et la structure alvéolaire, qui comprend des parois séparant des
cavités, sont en appui l'une contre l'autre ou se rejoignent par des zones
discrètes, ceci étant par ailleurs bénéfique à une maîtrise de l'inertie
thermique.
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On pourra obtenir une bonne tenue mécanique, par transfert d'efforts
via lesdites parois de séparation des cavités, mais également assurer si
nécessaire une isolation thermique de la chemise vis-à-vis du/des
exosquelettes, via un matériau et des formes adapté(e)s.
Pour encore favoriser cette tenue aux efforts, on recommande que la
structure considérée définisse une partie au moins desdits moyens de
centrage qui positionnent donc la chemise considérée par rapport à
l'exosquelette.
Pour par ailleurs encore favoriser davantage le remplacement des
chemises en termes de facilité de manipulation et/ou de temps passé, et de
coûts, on privilégiera le caractère modulaire des moules, de telle sorte que
la chemise, la structure alvéolaire et/ou thermiquement isolante qui
l'entoure et l'exosquelette qui entoure ladite structure soient trois éléments
dissociables entre eux, la chemise et la structure thermiquement isolante
étant engagés dans l'exosquelette, concentriquement.
Y compris pour favoriser la prise en compte des questions de: maîtrise
d'une part des efforts et d'autre part des contraintes thermiques, il est en
outre proposé
qu'individuellement les chemises présentant une surface interne qui
délimite le/un conduit central de coulée de l'alliage,
une partie extrême radialement extérieure de ce conduit est épaulée.
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à
la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif et
en
référence aux dessins annexés dans lesquels :
- la figure 1 est une vue schématique de face d'un barreau cylindrique plein
de la technique antérieure, dans lequel sont destinées à être usinées des
aubes de turbomachine,
- la figure 2 est une vue schématique d'un moule de la technique
antérieure,
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- la figure 3 est une vue schématique de dessus d'un moule à chemises et
exosquelettes, dans lequel seront moulés des barreaux ayant moins de
ségrégation,
- les figures 4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15 schématisent des chemises et
5 exosquelettes suivant divers modes de réalisation, en vue de face (figures
4,6), coupes schématiques longitudinales (l'un des axes radiaux B ; figures
12, 14,) ou transversale (figure 7, coupe VII-VII, figure 11, coupe XV-XV,
figure15,), et vues de côté (figure 5 -vue suivant V- et figures 8,9,10), la
figure 13 étant un détail d'une variante de réalisation de zones identiques à
celle référencée XIII figure 12.
Figure 1 on voit un barreau 11 métallique réalisé de fonderie et dans
lequel sont destinées à être usinées au moins une aube, ici deux aubes, 12
de turbine d'une turbomachine.
Le barreau 11 peut avoir une forme cylindrique et est plein. Il est
obtenu par coulée d'un alliage métallique dans un moule.
La figure 2 représente un dispositif 10 conventionnel de fabrication
des barreaux ou ébauches 11, par des opérations successives de fonte,
coulée et moulage.
Le dispositif 10 comprend une enceinte 120 fermée et étanche dans
laquelle est appliqué un vide partiel. Un lingot 16 en alliage métallique, en
l'espèce contenant de l'aluminium, et plus précisément dans l'exemple à
base de TiAl, est d'abord fondu dans un creuset 14. En fusion, il est versé
dans un moule 13 métallique permanent.
Le moule 13 permet de couler l'alliage par centrifugation, afin
d'obtenir des barreaux 11. Pour cela, il est mis en rotation autour d'un axe A
vertical. Le moule 13 comprend plusieurs logements 17, par exemple
cylindriques de section circulaire, qui s'étendent radialement (axes B1,B2 ;
figures 2,3) autour de l'axe A, de préférence par l'intermédiaire d'un moteur
18. Ces cavités sont de préférence régulièrement espacées angulairement
autour de l'axe A qui est ici vertical. Les forces centrifuges générées par la
rotation du moule forcent l'alliage en fusion à pénétrer dans ces logements
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et à les remplir. Ainsi, l'alliage à couler, apporté vers le centre du moule,
se
répartit vers les cavités.
Après refroidissement, le moule 13 est démonté et les barreaux
moulés 11 sont extraits. Les parois du moule qui entourent les logements
17 de recueillement du métal ont des épaisseurs importantes pour résister
aux efforts centrifuges, typiquement plus de 10 g.
Ces épaisseurs peuvent conduire à une inertie thermique forte et
créer des gradients thermiques importants lors du refroidissement du métal
coulé, générateurs d'une différence dans la microstructure du barreau au
voisinage de son centre par rapport à celle vers sa périphérie. Les pièces
issues des barreaux 11 peuvent donc présenter des différences de
microstructures (ségrégations).
Par ailleurs, en cas d'usure, il faut changer la partie du moule
entourant le logement radial 17 concerné.
L'invention permet d'apporter une solution au problème cité de
ségrégations et, si nécessaire, de satisfaire aux exigences de résistance
aux efforts centrifuges et de changement rapide et fréquent d'une partie au
moins du moule.
Les figures 4 à 15 représentent des modes de réalisation d'un moule
130 selon l'invention, étant précisé que les figures 5 et suivantes
schématisent des variantes de chemises et exosquelettes susceptibles de
remplacer ceux montrés figure 4 autour du bloc central 131. Quant à tous
les moyens fonctionnels dont sont de préférence pourvues ces réalisations
de moule, ils n'ont pas été illustrés, ni systématiquement repris dans toutes
les variantes décrites ci-après, pour ne pas surcharger les figures ni rendre
fastidieux ce qui suit. Il n'en demeure pas moins que les particularités de
ces modes de réalisation peuvent se combiner et s'appliquer d'un mode à
l'autre.
Le moule 130 diffère du moule 13 dans la réalisation de certains de
ses moyens structuraux, en particulier de ses logements radiaux de
réception de l'alliage.
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Spécifiquement, autour du bloc central 131, par les conduits internes
coudés 132 duquel l'alliage est amené à se répartir radialement autour de
l'axe central vertical A, sont régulièrement espacés des chemises 135 (ou
par exemple 135a,135b figure 4) qui définissent toutes ensemble les
logements précités. Les conduits 132 débouchent respectivement dans des
conduits radiaux 133 qui reçoivent l'alliage par une ouverture 133a et
s'étendent chacun à l'intérieur d'une des chemises, suivant une direction
radiale B. L'ouverture 133a de chaque chemise est ainsi située dans la
partie extrême radialement intérieure 134a du conduit concerné.
Les chemises, qui sont donc creuses, sont disposées dans au moins
un exosquelette 137, et de préférence dans autant d'exosquelettes qu'il y a
de chemises, chaque exosquelette contenant alors une chemise 135
définissant l'un desdits logements.
Le ou les exosquelettes retiennent les chemises vis-à-vis des forces
centrifuges générées par la rotation du moule. De préférence, ils
favoriseront (ou du moins ne feront pas obstacle à) une limitation de
l'inertie thermique.
Dans la réalisation préférée illustrée figure 4, l'axe central A de
rotation du moule est vertical et tant les chemises 135 que les
exosquelettes 137 s'étendent chacun suivant un axe longitudinal horizontal
(axe B).
Pour un équilibre lors de la rotation, on conseille une disposition
concentrique (axe B) de chaque couple chemise 135 et exosquelette 137
périphérique.
A son extrémité radialement extérieure (partie extrême 134b),
chaque conduit 133 présente un fond plein 135c.
De manière comparable, chaque exosquelette 137 présente, à son
extrémité radialement intérieure, une ouverture 137a par où, par exemple,
une chemise 135 peut passer et, à son extrémité radialement extérieure, un
fond 137b qui peut participer à la retenue radiale de la chemise.
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Figure 6, on remarque en 139a,139b des fixations, ici amovibles,
établies entre la chemise illustrée, ici 135a, et l'exosquelette, ici 137a,
qui
l'entoure, de façon à permettre un remplacement de la chemise. Des
fixations vissées peuvent convenir.
On constate également figure 4 que sont prévues des fixations
amovibles, telles 141a,141b entre chaque chemise (et/ou l'exosquelette qui
l'entoure, références 142a,142b) et le bloc central 131.
Ainsi il va être possible de séparer les chemises des exosquelettes
et du bloc central 131, notamment pour remplacer ces chemises. De
nouveau, des fixations vissées peuvent convenir.
Les fixations amovibles établies entre chemises et exosquelette(s)
et/ou entre le bloc central 131 et chemises et/ou exosquelette(s) pourront
former des zones de ruptures de ponts thermiques.
Quoi qu'il en soit, pour limiter l'inertie thermique, comme recherché,
il est conseillé que le comportement thermique des chemises soit
prépondérant par rapport à celui du/des exosquelette(s).
Dans un mode préféré de réalisation, le ou les exosquelettes
est/sont en acier doux, aciers ou alliages plus ou moins réfractaires et les
chemises sont en acier doux, aciers ou alliages plus ou moins réfractaires
et/ou céramique.
Figure 7, la paroi périphérique est référencée 135d et on y aperçoit,
au centre, le barreau moulé (ébauche) 110 issu de la coulée.
La figure 8 illustre une solution où l'exosquelette 137a schématisé
est pourvu d'une porte mobile 143a qui, en position ouverte, libère une
ouverture 145 permettant de passer à travers elle (ici latéralement vis-à-vis
de l'axe radial B) la chemise considérée, ici 135a. Des charnières, telle
celle repérée 147a, pourront faciliter la manoeuvre de chaque porte mobile
et donc par exemple l'extraction hors de son exosquelette d'une chemise
usagée puis l'introduction d'une autre, en meilleur état, en remplacement.
Sur les figures 4 à 8, il sera encore remarqué que les exosquelettes
est/sont à claire-voie.
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Ils se présentent ainsi comme des cages en quelque sorte
grillagées.
Pour favoriser une faible inertie thermique, on prévoit ici qu'un
espace vide 155 existe périphériquement (autour de l'axe B) entre chaque
chemise, telle 135a, et l'exosquelette, tel 137a, qui l'entoure.
Des moyens de centrage 157 positionnent, de façon fixe au moins
pendant la centrifugation, la chemise considérée par rapport à
l'exosquelette, pour la coulée (voir figure 5).
Les figures 9,10 illustrent encore une autre solution où les chemises
sont formées individuellement de plusieurs coquilles, telles 150a,150b pour
la chemise 135a schématisée.
Les surfaces intérieures respectives réunies des coquilles
définissent au moins la majeure partie du barreau moulé 110.
Ces coquilles s'ouvrent et se ferment suivant une surface de joint
des coquilles, tel le plan de joint 152. Ainsi, L'une de ces coquilles (telle
135a) peut constituer une porte mobile ou amovible vis-à-vis de l'autre,
permettant de démouler la pièce.
En outre, une fixation séparable 153, telle un verrou, est établie
entre les coquilles pour, une fois les coquilles séparées, pouvoir sortir le
barreau 110 de l'intérieur de la chemise, ici 135a, considérée, par
l'ouverture 154 libérée.
Dans la solution des figures 11,12, une structure alvéolaire 159, qui
s'étend périphériquement entre chaque chemise, telle 135a, et
l'exosquelette qui l'entoure, tel 137a, joue ce rôle et définit donc une
partie
au moins desdits moyens de centrage 157 précités.
La structure alvéolaire 159 peut être annulaire. Elle peut occuper un
espace entre le fond 135c des chemises et celui 137b de l'exosquelette
considéré (figure12).
Y compris pour les transferts thermiques recherchés, la figure 13
montre que la chemise considérée et la structure alvéolaire, telle 159, sont
en contact par des zones discrètes, telles 159a,159b,
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Plutôt qu'en des pièces distinctes, on pourrait prévoir de réaliser la
chemise et la structure alvéolaire en une seule pièce (figure 13), de sorte
qu'elles se rejoignent par ces zones discrètes situées à l'extrémité
radialement intérieure des parois 161 séparant deux à deux les cavités 163
5 des alvéoles, équivalentes, dans leur ensemble, à l'espace 155 précité.
En alternative, il sera possible de réaliser chaque chemise, telle
135a, ladite structure 159 qui l'entoure et l'exosquelette, tel 137a, qui
entoure cette structure, en trois éléments distincts, dissociables entre eux,
la chemise et la structure étant engagés dans l'exosquelette,
10 concentriquement, suivant donc une radiale B à l'axe A.
Figures 14,15, mais ceci peut s'appliquer aux cas précédents, le/les
exosquelette(s), tels 137a, comprend(nent) individuellement une extrémité
radialement extérieure 134b (figures 14,) vers où la chemise 135 est
radialement en appui contre une surface transversale 165 de
l'exosquelette.
La surface transversale 165 sera de préférence un épaulement
interne de l'exosquelette.
L'extrémité radialement extérieure 134b pourra être ouverte,
l'exosquelette ressemblant alors à une structure traversée de part en part
par au moins un passage, où la/chaque chemise concernée est reçue.
Un bouchon rapporté 167 (qui peut être amovible) bouchera alors
cette extrémité radialement extérieure 134b, à la manière du fond 135a
précité.
Favorablement, le/chaque bouchon 167 ne pénètrera pas dans
l'exosquelette au-delà de la surface transversale 165. Ainsi, la chemise ne
viendra pas en appui contre lui, ce qui est préférable lors de la
centrifugation.
Au moins dans le cas des figures 14,15, la structure extérieure, en
particulier celle en exosquelette(s), du moule pourra être cylindrique
tubulaire (structure). Elle sera favorablement en acier doux. Y sera donc
glissé axialement un insert (la chemise précitée) en matériau métallique ou
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céramique plus ou moins réfractaire, pouvant comprendre des coquilles
(telles deux demi-coquilles) comme évoqué ci-avant.
On aura compris que ceci permet :
- que l'insert assure l'obtention de la géométrie souhaitée pour la pièce
coulée et permette d'en contrôler la solidification, par maîtrise des
contraintes thermiques,
- et que la structure extérieure assure le positionnement du moule sur le
montage de coulée centrifuge ainsi que la résistance mécanique de
l'ensemble.
Pour les montages/démontages axiaux, une pente de un degré
minimum sera de préférence ménagée entre structure et insert. Ceci
permettra de rentrer/sortir la chemise le long de l'exosquelette, suivant
l'axe
B, tout en les centrant de façon coaxiale, au contact l'un de l'autre. Une
fixation amovible sera en outre, de fait (par serrage), établie entre la
chemise et l'exosquelette qui l'entoure. Le volume intérieur des chemises
135 peut être de géométrie simple (cylindre, rectangle, cône ou
combinaison) ou complexe. De façon générale toute forme démoulable
suivant le plan de fermeture des demi-coquilles est a priori acceptable.
Pour persévérer dans la maîtrise des contraintes thermiques, de
préférence en combinaison avec celle des efforts, il est conseillé que,
transversalement à la direction radiale suivant laquelle elles s'étendent (axe
B de la chemise considérée), les chemises présentent chacune au moins
une épaisseur qui varie le long de ladite direction radiale (longueur L) et
qui
est, au moins globalement, plus faible vers l'une au moins des extrémités
radialement intérieure et extérieure, 134a, 134b, qu'en partie intermédiaire,
comme montré figures,14,; voir également épaisseurs e1,e2 et e3. En
d'autres termes, on peut alors trouver, le long d'un axe B, une forme 133
allant d'abord en rétrécissant de section depuis l'extrémité 133a, vers une
zone intermédiaire, puis éventuellement (figures 14,) en s'élargissant vers
l'extrémité opposée 133b.
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Si nécessaire en liaison avec cet aspect (mais ce pourrait être une
forme de pièce moulée à privilégier), la figure14, montrent l'intérêt à
disposer d'un moule où, individuellement, l'extrémité radialement intérieure
ouverte 133a du conduit central 133 de coulée de l'alliage de tout ou partie
des chemises 135 présenterait une forme 169 allant donc en rétrécissant
de section vers le centre de la chemise, le long de la direction radiale, B,
suivant laquelle la chemise correspondante s'étend. Il est à noter que la
forme 169 peut ainsi être en simple ou double entonnoir (tête-bêche). Un
tronc de cône pourrait convenir. Toutefois, cette forme en entonnoir/goulotte
n'aura pas forcément une symétrie de révolution.
Quant à la partie extrême radialement extérieure de ce conduit, près
de l'extrémité 134b (figure 14), elle pourra être épaulée, pour présenter une
partie terminale 133b élargie.
Typiquement si au moins une aube, par exemple BP (basse
pression), est plus tard usinée dans le barreau coulé, la forme en
entonnoir/goulotte pourra correspondre à la zone de talon de cette aube et
la partie terminale 133b élargie à la zone du pied élargi.
Toujours à fins de maîtrise des efforts et de gain de masse, en
liaison avec l'évolutivité contrôlée de l'épaisseur de paroi de la chemise,
voire de maîtrise des contraintes thermiques, il est encore précisé
qu'individuellement tout ou partie des chemises 135 pourront présenter,
transversalement à la direction radiale B suivant laquelle elles s'étendent,
une surface périphérique radiale 170 au moins localement (ou
partiellement) usinée, comme schématisé figure 15.
Sur cette figure, on constate par ailleurs que des renforts
longitudinaux 171 peuvent être prévus pour assurer la rigidité, le centrage
et/ou le guidage de la chemise 135 concernée dans la structure
périphérique 137. Les renforts sont radialement saillants par rapport au
reste de la chemise concernée.
Un positionnement des renforts 171 vers les extrémités radiales
134a, 134b permettra de dégager les zones intermédiaires sur la longueur
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du moule, là où la présence d'au moins un espace (vide) 155 est favorable
à la maîtrise des contraintes, y compris thermiques.
Figure 15, les renforts 171 sont radiaux à l'axe de la chemise
schématisée et définissent entre eux plusieurs espaces libres, ou cavités
secondaires, tels 155a, 155b.
Pour une utilisation sous vide du moule, ce(s) espace(s) libre(s) ou
cavités secondaires 155a, 155b établi(es) entre la structure périphérique
137 et la face extérieure de la chemise 135 considérée, y compris s'il s'agit
des surfaces extérieures des (demi-)coquilles usinées, il est recommandé
une "mise à l'air" extérieur de l'espace 155.
Pour cela, il est proposé que cet espace 155 soit en communication
fluide avec l'environnement extérieur du moule par l'intermédiaire d'au
moins un orifice 175. Dans un exemple particulier de réalisation, chaque
chemise 135,135a... pourra avoir une longueur L ou dimension axiale (axe
B) comprise entre 10 et 50cm, une section (tel un diamètre) externe
compris entre 5 et 20cm, une section (tel un diamètre) interne compris
entre 4 et 10cm et une épaisseur radiale e,e1... comprise entre 1 et 10cm,
en moyenne à l'endroit d'une section donnée.
