Réalisation de pièces métalliques par prototypage en moulage à

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    13-Feb-2017

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    Ralisation de pices

    mtalliques par prototypage en

    moulage cire perdue

    Hlne HORSIN MOLINARO Sylvain LAVERNHE Pierre MELLA

    Christophe TOURNIER Yann QUINSAT

    Edit le 03/11/2016

    La fonderie en cire perdue ou modle non permanent est issue des mtiers d'art et en

    particulier de la duplication de sculptures en bronze (figure 1). Cest une technique trs ancienne

    qui permet de reproduire des objets en trois dimensions.

    Ce procd est aujourd'hui utilis dans de nombreux domaines comme l'aronautique (aubes de

    turbines, ferrure, etc.), le bio mdical (prothses dentaires, orthopdiques), la mcanique, la

    bijouterie, l'agro-alimentaire, les sports et loisirs, ... (figure 2). Cette technique est

    principalement utilise pour des ralisations de pices de formes complexes, ncessitant un

    excellent tat de surface et une prcision dimensionnelle trs leve. Elle permet de diminuer le

    recours l'usinage et donc de rduire les cots.

    Figure 1 : Exemple dune sculpture brute issue de la technique du moulage

    cire perdue Image Rpertoire de sculpture

    franaise, techniques de la sculpture [1]

    Figure 2 : Exemple de moulage cire perdue de pale de turbines de racteurs

    Image Prodays [2]

    Cette ressource a pour objectifs de prsenter le processus d'obtention de pices par moulage la

    cire perdue, les diffrentes tapes du procd sont exposes ainsi que les techniques employes

    selon la taille de la srie de pices produire. Les rgles de trac ne sont pas abordes, celles-ci

    tant similaires ( ceci prs qu'il na pas de plan de joint et de problmes de contre-dpouilles)

    aux procds de fonderie au sable ou en coquille (voir ressources Le moulage en coquille :

    procd de ralisation de pices mtalliques et Le moulage en coquille : rgles de trac ).

    1 - Description des tapes du processus

    Les diffrentes phases expliques ci-dessous sont mises en images dans la ressource vido Le

    moulage cire perdue .

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    1.1 Obtention dun modle non permanent

    Fabrication des modles de pices

    Le modle est ralis en cire ou en rsine calcinable (figure 3), matriaux qui permettent

    d'obtenir un tat de surface trs lisse. Sa gomtrie est dfinie partir du modle CAO de la

    pice fabriquer. Le procd de ralisation du modle est prcis paragraphe 4.

    Le modle correspond au volume de matire qui sera coul et doit donc intgrer le retrait du

    mtal lors du changement de phase du la solidification. La cire subit elle-mme une contraction

    volumique lors de sa solidification de quelques pourcents qu'il faut galement intgrer dans la

    dfinition du modle. Enfin le modle doit tre conu de manire respecter les rgles de

    fonderie pour assurer un refroidissement et une solidification irrprochables.

    Figure 3 : Exemples de modles et des pices correspondantes, Images Multistation [3]

    Assemblage, cration dune grappe

    Lorsque les modles en cire sont de petite taille, ils sont fixs par soudage ou collage sur les

    systmes de coule de faon constituer une grappe. Une grappe comprendra en gnral :

    Un entonnoir de coule,

    Des canaux de coule horizontaux et verticaux,

    Les modles en cire fixs sur les canaux de coule,

    Des accessoires de manutentions.

    Les plus gros modles en cire sont quips unitairement de leurs systmes de coule (chenaux,

    masselottes, vents, entonnoirs) raliss dans la mme matire ou en cramique selon leur

    usage.

    Figure 4 : Modle en grappe, image Precicast [4]

    Figure 5 : Exemple dun moulage pice unique

    Images Fonderie dart La mlusine [5]

    Modles en cire

    Canaux de coule

    Entonnoir de coule

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    1.2 Obtention du moule

    Le matriau du moule

    Le moule est gnralement ralis en matriaux cramiques de type alumine (Al2O3), silice

    (SiO2), silicate de zirconium (ZrSiO4) mlangs un liant. Par exemple, la rfrence

    HYDRACASTTM 79-60 AL est un mlange rfractaire prt l'emploi par ajout d'eau (30%). Il est

    principalement compos de pltre, d'argile calcine, de quartz (SiO2) et de Cristobalite (SiO2). Il

    est adapt la coule des alliages d'aluminium et de zinc par le procd de moule bloc.

    La ralisation du moule

    Il existe deux techniques diffrentes pour construire le moule partir du modle (voir aussi

    paragraphe 4.2) :

    Premire technique : le modle assembl est plac dans un cylindre qui sera rempli de

    barbotine, constitu de la cramique et du liant, afin de crer un moule bloc (figure 6).

    Deuxime technique : le modle est plong dans la barbotine puis sabl et sch

    plusieurs reprises jusqu' l'obtention d'une carapace de 5 8 mm d'paisseur (figure 7).

    Figure 6 : Cylindre contenant le modle

    et remplir de barbotine Figure 7 : Carapace en cours de fabrication

    Images Multistation [3]

    Le dcirage

    Diffrentes technologies peuvent tre employes pour assurer le dcirage :

    La combustion dans un four haute temprature (400C),

    La dissolution dans un bain,

    La fusion (dans un bain de cire fondue, par micro ondes).

    Le dcirage des tempratures suprieures 400C produit une surface intrieure parfaite en

    liminant les dernires traces de cire. Pour la rfrence HYDRACASTTM 79-60 AL, le dcirage est

    ralis dans des conditions humides 100/200C ou dans des conditions sches entre 150/160C

    pendant 6 8 heures.

    Le traitement thermique haute temprature ou cuisson du moule rfractaire

    Le cycle de cuisson est choisi pour optimiser les proprits mcaniques des carapaces de manire

    permettre les manipulations froid sans risque de casses, et de manire minimiser leurs

    sensibilits aux chocs thermiques pouvant tre gnrs lors des diffrentes tapes de coules. Le

    cycle dpend de la dimension des pices et du moule.

    Le cycle standard (figure 8) pour des moules dont la masse est suprieure 5kg et pour la

    rfrence HYDRACASTTM 79-60 AL est le suivant :

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    Monte de 20C 150C le plus

    rapidement possible

    Palier 150C pendant 4h pour le

    dcirage

    Monte de 150C 250C 200C/h

    Palier 250C pendant 1h30

    Monte de 250C 650C 350C/h

    Palier 650C pendant 3h

    Refroidissement et maintien

    temprature dsire

    Figure 8 : Cycle de cuisson du moule

    1.3 Obtention de la pice

    La coule

    Les moules en cramique sont mis en temprature avant l'opration de coule mtallique afin

    d'viter tout clatement en raison de la variation soudaine de la temprature. Selon la taille des

    moules et leur type (bloc ou carapace) la coule est manuelle ou automatique (figure 9).

    Diffrents types de coule sont possibles. On peut utiliser une injection basse pression, une

    coule lgrement sous dpression afin d'assurer le bon remplissage de lempreinte, une coule

    sous vide afin d'viter l'oxydation de certains alliages.

    Figure 9 : Coule manuelle en carapace

    Le dcochage

    Le moule est laiss refroidir pour tre ensuite dtruit par immersion dans l'eau et/ou par un

    systme de nettoyage haute pression.

    Dans le cas des moules carapaces, la cramique est limine gnralement par vibration, par

    projection de grenaille d'acier, par projection de sable l'air comprim, par jet d'eau haute

    pression, par dissolution chimique du rfractaire la soude caustique.

    La pice peut ensuite tre rcupre pour subir les tapes de finition (usinage, polissage, ...)

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    2 Quelles gomtries ?

    Ce procd de moulage s'applique tous les types de pices mcaniques, des petites aux grandes

    dimensions, de quelques grammes 25kg, de formes simples des formes compliques y compris

    des formes en contre dpouille.

    Ces caractristiques techniques (dimensions, tat de surface) ont plus de prcisions que les

    autres procds de fonderie. Les tolrances obtenues varient selon l'expertise du fondeur,

    savoir la matrise des dimensions des modles, du retrait du moule lors du schage et du retrait

    du mtal aprs la coule. Les intervalles de tolrances varient de la classe 14 la classe 12,

    rpartis uniformment de chaque cot de la cote nominale, donc JS(js) 12 JS(js) 14. La classe

    de qualit 12 sera obtenue par des mises au point plus coteuses, il est donc toujours prfrable

    de les rserver aux surfaces prioritaires d'un point de vue fonctionnel. L'tat de surface des

    pices produites varie avec un cart moyen de rugosit, Ra, compris entre 6,3 et 3,2 m.

    Le procd de moulage la cire perdue constitue souvent une alternative intressante la

    technique de l'usinage ou de l'assemblage par soudure et est parfois un passage oblig pour des

    pices comportant des cavits internes, des voiles minces, des videments et allgements, des

    renforts, ...

    Etat de surface de pices obtenues par fonderie cire perdue

    La pice figure 10 a t obtenue par fonderie bloc, la coule ayant t effectue sous lgre

    dpression pour que le mtal liquide accde toutes les parties du moule (voir Annexe :

    Ralisation du mors mobile dun tau serrage rapide ). On observe clairement la texture

    gnre par l'imprimante 3D lors de la fabrication du modle, c'est dire les marques

    d'impression horizontales.

    Figure 10 : Texture d'impression visible sur la pice moule

    3 - Quels matriaux ?

    De trs nombreux matriaux se prtent la fonderie la cire perdue (liste non exhaustive) :

    Aciers de construction, de traitements thermiques,

    Aciers inoxydables,

    Superalliages base de Cobalt ou de Nickel,

    Alliages de titane,

    Alliages d'aluminium,

    Alliages de cuivre (bronze, laiton),

    Alliages bases cobalt,

    Or et Argent dans la bijouterie,

    ...

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    4 Quelles technologies ?

    Les technologies diffrent sur quelques tapes du processus en particulier la fabrication du

    modle et la fabrication du moule.

    4.1 - Procds de fabrication des modles

    Fabrication additive des modles

    Il existe diffrentes technologies pour l'obtention du modle non permanent qui sera pyrolis

    durant le processus de fabrication du moule. Les modles peuvent tre de formes complexes et

    possder des contre-dpouilles. La prcision dpend du procd utilis.

    La premire technologie consiste fabriquer chaque modle 3D en cire par un procd adapt de

    fabrication additive :

    1. Modle en polymre calcinable :

    o Procd SLA (StereoLithography Apparatus) ou DLP (Digital Light Processing) de

    polymrisation en cuve

    o Procd FDM (Fused Deposition Modeling) filament extrud

    2. Modle en cire : procd MJM (Multi-Jet Modeling) de projection de gouttes (figure 11)

    3. Modle en papier : procd LOM (Layered Manufactured Object) de stratification de

    couches

    Figure 11 : Modle en cire (bleu) et ses supports (blancs) fabriqu par projection de gouttes

    Fabrication par injection des modles

    Cette seconde technologie consiste fabriquer le moule pour produire des sries de modles par

    injection de cire en moule mtallique (figure 12), moule en silicone ou moule en caoutchouc

    vulcanis. On parle pour les deux dernires solutions d'outillages consommables qui seront jets

    une fois abmes puis renouvels.

    Les moules en silicone ou en caoutchouc permettent l'obtention de modles prsentant des

    contre dpouille et seront extraits grce la dformation possible du moule, ce qui n'est pas le

    cas pour le moule mtallique.

    Cette technologie est plus conomique pour les sries importantes mais ce gain tend diminuer

    mesure que les cadences des machines de fabrication additive augmentent.

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    Figure 12 : Modle inject dans un moule mtallique

    4.2 Procds de fabrication des moules

    Comme nous lavons vu paragraphe 1.2, il existe deux procds de fabrication des moules :

    Fabrication de moules carapaces

    La fabrication du moule en carapace consiste plonger le modle dans la barbotine de cramique

    et de liant (figure 13), de la renforcer par dpt de sable puis de le faire scher ; ce processus

    est rpt jusqu' l'obtention d'une carapace suffisamment solide. C'est un procd industriel trs

    automatis.

    Une attention toute particulire doit tre porte sur la cration de la premire couche qui est la

    seule en contact avec le modle puis avec le mtal liquide. Elle doit donc assurer la reproduction

    des moindres dtails du modle ainsi que l'tat de surface attendu.

    L'avantage est que la carapace d'paisseur quasi constante autour de la cavit permet un

    refroidissement homogne du mtal une fois coul donc une bonne qualit mtallurgique. Par

    contre le cycle d'enrobage pour fabriquer la carapace peut durer plusieurs jours. De plus, dans les

    cas des rsines, leur coefficient de dilatation suprieur celui de la cramique peut provoquer

    des fissures de la carapace, il faut donc en tenir compte lors de la conception du modle.

    Figure 13 : Enrobage automatique d'une grappe de modles Image MK Technology GMBH [6]

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    Il existe des machines automatiques pour la fabrication de carapaces de fonderie la cire perdue,

    elles sont capables d'assurer les fonctions d'enrobage, de sablage et de schage. La machine

    figure 14 peut ainsi crer des carapaces de dimension maximale 500 x 500 (mm) et d'un poids

    maximal de 25 kg.

    Figure 14 : Image MK Technology GMBH [6]

    Fabrication de moules blocs ou moules massifs

    L'autre technique consiste fabriquer un moule massif qui contient l'empreinte. Cette

    technique, moins automatise, est adapte la ralisation de prototypes et d'objets d'art. Sa

    fabrication consiste placer le modle ou la grappe de modles ainsi que les systmes de

    remplissage et d'alimentation dans un cylindre qui sera rempli du mlange cramique + liant

    (figure 15). Les changes thermiques du moule avec l'extrieur sont moins homognes, donc la

    sant matire est potentiellement moins bonne, cependant la fabrication du moule est plus

    rapide qu'en carapace.

    Figure 15 : Cylindre de moule bloc avec modle avant, pendant et aprs remplissage

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    5 Conclusion

    La fonderie en cire perdue ou modle non permanent, est un procd utilis dans de nombreux

    domaines de la bijouterie laronautique en passant par le bio-mdical. Cest une technique

    principalement utilise pour la ralisation de pices de formes complexes, avec une prcision

    dimensionnelle leve et un tat de surface excellent. De plus, cette technique diminue le

    recours lusinage, et donc permet une rduction des cots post-fonderie.

    Le moulage cire perdue est destin la ralisation de pices unitaires comme un prototype, ou

    de petites sries, le moule tant dtruit lors de lextraction du moulage. La figure 16 synthtise

    les diffrentes tapes de ce procd de moulage.

    L Annexe : Ralisation du mors mobile dun tau serrage rapide traite dun exemple de

    ralisation dans le cadre dun projet dlve.

    Figure 16 : Ralisation de bague (or et perle noire) par la technique de moulage la cire perdue : (1) Croquis, (2) grappe en cire, (3) cylindre rempli de pltre rfractaire,

    (4) cuisson du pltre et vacuation de la cire, (5) prparation de lor pour la coule, (6) obtention de la grappe en or rplique de la cire, (7) les bagues finies.

    Images jean Claude Sulka [7]

    Rfrences :

    [1]: http://frenchsculpture.org/fr/sculpture-techniques

    [2]: http://www.prodways.com/fr/industrial_segment/aerospace-defense/

    [3]: http://www.multistation.com/3Z-MAX

    [4]: http://www.precicast.fr/fonderie/4-procede-de-fabrication.html

    [5]: http://www.fonderie-melusine-vouvant.fr/notre-savoir-faire/

    [6]: http://www.foundry-planet.com/

    [7]: http://www.sulka.fr

    Ressource publie sur EDUSCOL-STI : http://eduscol.education.fr/sti/si-ens-cachan/

    (1) (4)

    (...

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