Réalisation de pièces métalliques par prototypage en moulage à ...

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    13-Feb-2017

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1 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 . 2 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 3 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 : 4 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, ...) 5 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, ... 6 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. 7 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] 8 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 9 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) (5) (6) (7) (3) (2) http://frenchsculpture.org/fr/sculpture-techniqueshttp://www.prodways.com/fr/industrial_segment/aerospace-defense/http://www.multistation.com/3Z-MAXhttp://www.precicast.fr/fonderie/4-procede-de-fabrication.htmlhttp://www.fonderie-melusine-vouvant.fr/notre-savoir-faire/http://www.foundry-planet.com/http://www.sulka.fr/http://eduscol.education.fr/sti/si-ens-cachan/

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