The theme of this thesis is the engineering design of the automaton for the ceramic moulds production for the shell casting technology. In the first part of the thesis I occupy with the design of the mechanical part of the machine including the kinematic, dynamic and strength calculations of the chosen engineering compositions and components. In the next part of the thesis I design the control part of the machine.

Le moulage à la cire perdue est une technique offrant une grande liberté de conception, une bonne précision dimensionnelle et un excellent état de surface, et ce, pour une large gamme d'alliages. Cependant, dans le cas des alliages de magnésium, les données disponibles dans la littérature sont plutôt rares voire contradictoires. Dans ce contexte, ce projet de doctorat avait pour objectif l'étude du procédé de moulage à la cire perdue en moule monobloc et des propriétés des pièces en alliage de magnésium AZ91D obtenues. Pour cela, trois volets ont été considérés. Nous avons tout d'abord évalué l'aptitude de l'alliage à remplir les cavités du moule. Les expériences effectuées nous ont permis de montrer que l'application d'un vide partiel dans le moule était indispensable pour assurer le bon remplissage de la cavité de moulage. Par ailleurs, le remplissage des moules est favorisé par une augmentation de l'épaisseur de la section à remplir, de la pression métallostatique, de la surchauffe de l'alliage liquide ainsi que de la température de préchauffage du moule. L'étude de la réactivité moule-métal et de ses conséquences sur le fini de surface a fait l'objet de la deuxième partie de ce projet. Nos travaux ont permis de clarifier les mécanismes associés aux réactions entre le moule et l'alliage liquide. Le magnésium liquide et ses vapeurs réagissent avec la silice contenue dans le moule selon la réaction 4Mg + SiCh = 2MgO + Mg2Si. Nous avons également montré que la température de coulée n'exerçait pas d'influence notable sur la réactivité, alors qu'une augmentation de l'épaisseur de la pièce et/ou de la température du moule favorisait les réactions. Finalement, la microstructure des échantillons à l'état tel que coulé a été caractérisée et les propriétés mécaniques en traction ont été déterminées. Les résultats montrent que les propriétés en traction excèdent les exigences minimales définies par la norme ASTM B-403. Il s'est également avéré que la conception du système de coulée jouait un rôle déterminant sur la qualité des pièces obtenues. La température de coulée et la température du moule n'ont que peu d'influence sur les propriétés des pièces, alors que l'épaisseur des pièces les affecte. Des particules Al-Mn, observées principalement à la surface des pièces moulées, ont été caractérisées. / Investment casting is used to produce complex shapes, with excellent dimensional accuracy and surface finish, from a wide range of alloys. However, in the case of magnesium alloys, the literature on the subject is rare, even contradictory. In this context, the objective of this work is to study the solid mould investment casting process and the properties of AZ91D magnesium alloy cast parts. Three aspects were considered. First, the capacity of AZ91D alloy to fill mould cavities was evaluated. Experiments showed that vacuum assistance is necessary to provide adequate mould filling. Mould filling was improved by raising section thickness, metal head, superheating and mould preheating temperature. The influence of process parameters on reactivity and surface finish was then examined. The mechanism associated with mould-metal reactions was clarified. Liquid magnesium and its vapours react with silica in the mould according to the reaction 4Mg + SiCh = 2MgO + Mg2Si. Casting temperature proved to have no noticeable influence on reactivity, whereas an increase in section thickness and/or mould temperature promotes mould-metal reactions. Finally, the microstructure of as-cast test specimens was characterized and the mechanical properties were determined. The tensile properties exceed the minimum requirements of the standard ASTM B-403. Gating design played a determining role on the quality of cast specimens. Casting and mould temperatures had little influence on microstructural and mechanical properties, whereas section thickness affected them. Al-Mn particles, mainly observed at the surface of cast parts, were also characterized.

Cette étude concerne la précipitation "in-situ" de cristaux de monoborure de titane (TiB) au sein d'une matrice de titane ou d'un alliage pour une application aéronautique. Dans un premier temps, nous avons étudié la précipitation de TiB à partir de titane et d'alliage de titane (Ti-6Al-4V) ainsi que sa morphologie dans diverses conditions (phase solide, liquide et gaz). Il ressort que le procédé de fonderie associé au moulage en cire perdue semble être une méthode prometteuse pour l'amélioration de la résistance mécanique du titane associé au TiB. La fonderie du titane est un procédé associé (i) à des microstructures grossières et variables d'un point à l'autre, (ii) à une pollution superficielle des pièces et (iii) aux problèmes de fusion du titane (température de fusion élevée, forte réactivité vis à vis de l'atmosphère et du moule). Nous avons pu constater que l'incorporation du bore ne pose pas de problème particulier et la présence du TiB est bénéfique sur la microstructure car il diminue la taille des grains de phase alpha. L'étude du comportement mécanique en traction permet de mettre en évidence un gain de résistance. Pour une matrice de titane non allié, la résistance à la rupture et la limite d'élasticité sont doublées avec seulement 3% en volume TiB. Pour l'alliage de Ti-6Al-4V, le renforcement est moins spectaculaire que pour le titane mais demeure toutefois très intéressant et le meilleur matériau est obtenu pour 0,5% en volume de TiB. Les faciès de rupture laissent apparaître des cristaux de TiB clivés selon leur longueur. Le clivage des cristaux de TiB est à l'origine de l'initiation des fissures au sein du matériaux.

Les méthodologies de conception des grappes de fonderie reposent fondamentalement sur l’analyse de l’énergie dégagée par le métal au cours de sa solidification. En effet, l’interprétation de ces transferts thermiques permet de calculer localement le temps de solidification et donc d’identifier les points chauds d’une pièce de fonderie. Dans le cas du moulage en sable, ces échanges thermiques sont bien connus et depuis longtemps modélisés (Chvorinov). Leur modélisation correspond à un moule thermiquement infini, c’est à dire que toute l’énergie dégagée par le métal lors de sa solidification est absorbée par le moule. En revanche, dans le cas d’une carapace ou d’une coquille, une partie de cette énergie est transmise à l’environnement via le moule ; ainsi la modélisation la plus adaptée sera donc celle considérant le moule comme un milieu thermiquement fini. Des manipulations de référence ont permis d’acquérir une bonne compréhension des mécanismes thermiques intervenant dans ce procédé de fonderie et mettent en évidence toute la complexité des échanges, à la fois internes et externes au moule (qui se produisent en simultané pendant la phase de solidification du métal). Ces manipulations ont permis par ailleurs, à l’aide de modèles statistiques, d’estimer les paramètres physiques qui sont difficilement accessibles du fait de leurs dépendances et des conditions de travail expérimentales (les échanges avec le milieu ambiant, le coefficient d’échange et le flux entre le métal et le moule). Ces valeurs issues d'expérimentations réalisées en condition réelles serviront à alimenter les bases de données matériaux utilisées en fonderie et dans les simulations numériques. La démarche et les modèles développés dans le cadre de ce travail de thèse permettent un calcul plus fiable qui servira au dimensionnement des masselottes dans le cas du procédé à cire perdue. A plus long terme, cette démarche pourrait être étendue à d’autres procédés de fonderie puisque la méthodologie développée sur du moulage à cire perdue sera transposable aux cas des moules à noyau, des moules métalliques ou autres procédés similaires. / Design casting methodologies are based on the analysis of the energy released by the metal during its solidification. Indeed, the knowledge of this heat transfer permits to faithfully predict local solidification time and to identify last solidified zones. In the case of sand casting, heat exchanges are well known and have been modeled for a long time (Chvorinov). The last, modelize "thermally infinite mold" so in this case whole metal energy threw solidification phase is absorbed by the mold. In contrary, for a shell, a portion of metal energy is transmitted to environment threw the shell, so in this case, the most appropriate model is "a thermally finished mold". Reference experimentations gives a good understanding of energy / thermal mechanisms involved in the casting process and highlight both internal and external shell thermal exchanges complexity (which occur simultaneously during solidification metal). These manipulations allow to use inverse method to estimate hardly measured parameters (such as external heat transfer coefficient or metal-mold interfacial heat transfer), and therefore to build reliable thermal parameters databases used in numerical simulations. Methodology and models developed in this study allow a reliable sizing feed calculation for investment casting. On the long-range, this knowledge could be applied to other foundry processes since the methodology developed on investment casting will be transposed to core molds, die-casting or other molds.

Dans une démarche pluridisciplinaire, qui emprunte aussi bien aux sciences humaines et sociales (archéologie, histoire des techniques, réexamen des textes anciens) qu’aux sciences chimiques (science des matériaux, métallurgie expérimentale, chimie analytique), cette recherche vise à reconstituer l’évolution des techniques de fonte à la cire perdue, depuis les plus anciens témoignages de son utilisation à Mehrgarh (Pakistan, 5e millénaire av. J.-C.) jusqu’aux premières grandes statues de bronze dans le monde égéen (fin du VIe, début du Ve s. av. J.-C.).L’étude des objets a parfois nécessité des développements analytiques spécifiques pour pallier à leur très forte altération, comme par exemple l’imagerie de photoluminescence synchrotron. Cela a notamment permis de reconstituer en détail la chaîne opératoire de fabrication de la rouelle de Mehrgarh, l’une des plus anciennes fontes à la cire perdue connue à ce jour. Sur la base de ces résultats, il est suggéré que la fonte à la cire perdue pourrait avoir été inventée pour donner la possibilité aux individus non métallurgistes de créer des objets importants en métal tels que ces amulettes, par le biais du façonnage d’un modèle en cire.Nous montrons que la cire perdue a ensuite été mise à profit pour donner naissance à une nouvelle forme de sculpture, la statuaire de métal. Au prix de parois très épaisses et d’assemblages mécaniques, nous mettons en évidence une première période de production de grandes statues en Mésopotamie pendant la deuxième moitié du 3e millénaire av. J.-C. Après un long hiatus, la grande statuaire métallique renaît de façon spectaculaire pendant la première moitié du 1er millénaire av. J. C., à la fois dans les mondes égyptien, sabéen et égéen. Nous identifions deux innovations importantes responsables de cette renaissance : le procédé indirect et l’assemblage soudé.Des essais de coulabilité effectués en faisant varier la composition de l’alliage et le matériau du moule sont présentés dans la dernière partie de notre travail. En moule de plâtre et avec un fort préchauffage, une coulabilité exceptionnelle a été obtenue pour le bronze à fort taux de plomb, donnant pour la première fois une idée des conditions de coulée nécessaires à l’obtention des parois très minces souvent observées sur les grandes statues antiques. / Following a multidisciplinary approach combining social sciences (archaeology, history of techniques, examination of ancient texts) and chemistry (materials science, experimental metallurgy, analytical chemistry), our research aims to reconstruct the evolution of lost-wax casting techniques, from the earliest evidence of its use in Mehrgarh (Pakistan, 5th millennium BC) to the first large bronze statues in the Aegean (end of the 6th, beginning of the 5th century BC).The archaeological artefacts under study have sometimes required specific analytical developments to overcome their very strong alteration, such as synchrotron photoluminescence imaging. This allowed reconstructing in detail the chaîne opératoire of the Mehrgarh wheel-shaped amulet, one of the oldest lost-wax castings known to date. Based on the results thus obtained, it has been suggested that lost-wax casting might have been invented to give non-metalworkers the opportunity to create important metal objects such as amulets by simply shaping a wax model.We show that lost-wax casting was afterwards used to create a new form of sculpture, namely metal statuary. At the cost of very thick metal walls and mechanical assemblies, this led to an early production step of large statues in Mesopotamia during the second half of the 3rd millennium BC. After a long hiatus, large metal statuary reappeared spectacularly during the first half of the 1st millennium BC, both in the Egyptian, the Sabean and the Aegean areas. We were able to identify two important innovations responsible for this renaissance: the indirect process and the flow fusion welding.Castability tests carried out by varying the composition of the alloy and the material of the mould are presented in the last part of our work. An exceptional castability was obtained for highly-leaded bronze in plaster mould and with a high preheating. For the first time some insights are thus drawn on the casting conditions necessary to obtain the very thin walls often observed on large metal statues during the Classical Antiquity.

Ces travaux s'inscrivent dans une recherche interdisciplinaire qui concerne l'évolution de l'ensemble des techniques de la grande statuaire antique en bronze (de la 2nd moitié du 6 siècle avant J.C. au 5e siècle après J.C.). L'objectif de la thèse est de contribuer à la compréhension du procédé de soudage par fusion au bronze liquide, en mettant en œuvre une double approche : étude de soudures antiques et essais expérimentaux en laboratoire. Les statues à étudier ont été choisies parmi les œuvres des collections des musées de France (Département des Antiquités Grecques Etrusques et Romaines du musée du Louvre, Musée départemental Arles Antique, et musée d'Evreux, Mission Archéologique Départementale de l'Eure). L'étude technologique de ce corpus s'est basée sur la méthodologie développée au C2RMF en collaboration avec plusieurs partenaires. Avec le CEA Le Ripault et l'Institut de Soudure tout d'abord, mobilisant ainsi une batterie de techniques d'examens et d'analyses (contrôles non destructifs, radiographie, analyse élémentaire par ICP-AES, microscopie optique et électronique...). Avec le CEMHTI également, qui a assuré le suivi thermique des essais de soudage en laboratoire menés au sein de l'espace " hautes températures " récemment aménagé au C2RMF. Au terme de ces travaux de recherche, nous sommes en mesure de caractériser avec plus de précision la mise en œuvre du procédé de soudage employé par les fondeurs antiques, dont la réussite s'avère dépendre avant tout de la maitrise du transfert thermique.