Tout ce que vous devez savoir sur le moulage des métaux

La coulée de métal, un processus de travail des métaux impliquant du métal liquide et un moule, existe depuis des milliers d'années.

Au cours de son histoire, la coulée de métal a été utilisée pour tout fabriquer, des épées aux éoliennes, et aujourd'hui, c'est l'une des méthodes les plus précieuses et les plus polyvalentes pour fabriquer des pièces métalliques de haute qualité.

Ce guide examine les bases de la coulée de métal, y compris ses nombreuses variantes (moulage sous pression, moulage de précision, etc.) et les métaux de coulée les plus courants.

Qu'est-ce que la coulée de métal ?

La coulée de métal est un processus de fabrication / fabrication qui consiste à verser du métal liquide en fusion dans un moule.

L'intérieur du moule est conçu avec une impression négative de la pièce en cours de fabrication, de sorte que lorsque le métal en fusion refroidit et se solidifie dans le moule, il prend la forme de la pièce finale. La pièce finie peut ensuite être retirée du moule.

Selon les pièces fabriquées et les métaux utilisés, il existe différentes variétés de coulée de métal, chacune avec ses propres avantages particuliers. Les motifs, les moules et les techniques de remplissage peuvent varier considérablement entre ces variétés.

Bien que la coulée de métal soit un processus polyvalent, les pièces moulées sont soumises à certaines contraintes de conception et les ingénieurs doivent tenir compte du retrait du métal pendant la phase de refroidissement.

Le processus de coulée de métal expliqué

Le processus de coulée centrale du métal consiste à chauffer un métal, à le verser dans un moule, à attendre qu'il refroidisse et se solidifie, puis à retirer la pièce finie du moule. En réalité, il peut y avoir beaucoup plus d'étapes dans le processus, et différents processus de coulée de métal fonctionnent de différentes manières.

Ce qui suit est un aperçu simplifié du processus de coulée de métal. Notez que certaines étapes varient selon les variantes de casting, tandis que d'autres sont complètement omises.

1. Faire le patron :Dès le début, de nombreux procédés de coulée de métal nécessitent la fabrication d'un modèle, un double de la pièce finale qui sert à fabriquer le moule. Les motifs peuvent être permanents ou jetables, et peuvent être faits de matériaux comme la cire, le bois et le plastique.

2. Faire le noyau :Pour le moulage de pièces creuses, il peut être nécessaire de concevoir un noyau, une pièce solide de matériau placée à l'intérieur de la cavité du moule qui façonne la géométrie intérieure d'une pièce moulée. (Par exemple, un noyau cylindrique dans un moule cylindrique plus grand produira une pièce moulée en forme de tube.)

3. Fabrication du moule :Les moules sont fabriqués de différentes manières selon le processus. Par exemple, des moules métalliques permanents peuvent être fabriqués à l'aide d'une machine CNC, tandis que les moules en sable sont fabriqués en appliquant un mélange de sable à l'extérieur d'un motif. La pratique de la fabrication de moules est connue sous le nom de fabrication de moules et est une discipline spécialisée.

4. Remplir le moule :Le métal est chauffé jusqu'à ce qu'il fonde, puis coulé ou forcé dans le moule. Dans la coulée par gravité, par exemple, le matériau fondu est versé vers le bas dans la cavité; dans le moulage sous haute pression, il est forcé dans la cavité à haute pression, avec des forces de serrage élevées nécessaires pour maintenir la matrice en place.

5. Retrait de la pièce :Une fois la pièce coulée refroidie et solidifiée, elle est retirée du moule. Pour des processus comme le moulage au sable, cela signifie que le moule doit être détruit pour accéder à la pièce à l'intérieur; pour les moules permanents, les deux moitiés du moule métallique sont séparées et prêtes à être réutilisées.

6. Post-traitement  :Les pièces en métal coulé peuvent nécessiter un nettoyage (pour éliminer les restes du moule, par exemple) ou d'autres étapes de post-traitement avant d'être prêtes à l'emploi.

Avantages de la coulée de métal

Il existe de nombreuses raisons de choisir la coulée de métal plutôt que d'autres options de travail des métaux comme le forgeage ou l'usinage CNC. Voici quelques-uns des principaux avantages de la coulée de métal :

• Convient à la production de masse
• Peut produire des pièces énormes et lourdes
• Peut produire des pièces à parois très épaisses
• Convient aux grandes pièces monobloc (plutôt qu'aux composants assemblés)
• Excellentes qualités de roulement
• Idéal pour certains alliages légers
• Polyvalence matérielle

Les limites de la coulée de métal comprennent des défauts inévitables, une précision dimensionnelle limitée (par rapport, par exemple, à l'usinage CNC), une main-d'œuvre intensive et des quantités de commande minimales généralement élevées.

Les principaux types de coulée de métal

Moulage sous pression

L'un des types les plus importants de moulage de métal pour les pièces complexes et détaillées, le moulage sous pression utilise deux matrices en acier à outils réutilisables comme outillage. Le processus est similaire au moulage par injection de plastique :le matériau fondu est forcé dans la cavité à haute pression , qui permet aux ingénieurs de fabriquer des pièces avec des détails fins.

Le coût de création de matrices personnalisées est élevé, ce qui rend le processus plus courant dans la production de masse. Cependant, une fois fabriquées, ces matrices peuvent être utilisées plusieurs fois. Les moulages sous pression ont tendance à avoir une excellente finition de surface.

Le moulage sous pression d'aluminium et le moulage sous pression de magnésium sont tous deux largement utilisés pour les pièces de haute qualité.

Moulage par gravité

Comme le moulage sous pression, le moulage par gravité est un moyen de couler du métal à l'aide d'un moule métallique réutilisable. Cependant, le moulage par gravité repose sur les forces gravitationnelles pour déplacer le métal liquide à travers le moule, de haut en bas, plutôt que par pression. Les moules doivent être préchauffés avant la première coulée et sont souvent fabriqués en fonte en raison de sa faible fatigue thermique.

La coulée par gravité est antérieure à toutes les autres techniques de coulée de métal, les pièces moulées par gravité existant depuis des millénaires. C'est une forme de coulée en moule permanent; les alternatives au processus de coulée par gravité incluent la pression de gaz et le vide.

Moulage de précision (moulage à la cire perdue)

Le moulage à modèle perdu ou le moulage à la cire perdue est un moyen de couler du métal à l'aide d'un modèle et d'un moule consommables :les deux éléments sont détruits pendant le processus de moulage (bien que la cire fondue puisse souvent être réutilisée).

Comme le moulage par gravité, le moulage de précision a des milliers d'années. Lors du processus de moulage à la cire perdue, un modèle est fabriqué à partir de cire ou d'un matériau équivalent - parfois à la main, parfois à l'aide d'une imprimante 3D à résine - avant qu'un matériau réfractaire ne soit coulé autour du modèle pour créer le moule.

L'investissement est la couche de céramique appliquée autour du motif qui sert alors de moule pour le métal en fusion. Cette couche de céramique est retirée au cours d'un processus appelé élimination .

Moulage au sable

Le moulage au sable est une méthode simple et séculaire de moulage du métal et est plus abordable que les techniques alternatives. Il utilise du sable (mélangé à un matériau de liaison comme l'argile) comme matériau de moule, et les moules sont capables de résister à une chaleur élevée.

Dans le processus de moulage au sable, un motif est immergé dans du sable contenu dans une boîte spéciale appelée flacon . En compactant le sable autour du motif, un moule peut être fabriqué dans lequel le métal en fusion peut être versé.

Le sable utilisé dans le processus de coulée de métal peut être soit vert sable (argile humide) ou air set sable (sable sec avec un adhésif).

Autres procédés de moulage

Il existe des dizaines d'autres procédés de coulée de métal utilisés dans la fabrication, y compris le moulage en limon et le moulage en coquille (deux procédés de moulage consommables) et les procédés de moulage permanent comme la coulée centrifuge et la coulée continue.

Pression de lancer :haute ou basse ?

Le moulage sous pression des métaux est un processus de travail des métaux précieux, et il peut être divisé en deux catégories supplémentaires :le moulage sous pression à haute pression et le moulage sous pression à basse pression. Le choix de la bonne pression dépend de facteurs tels que le matériau, l'épaisseur de paroi et la taille de la pièce.

Moulage sous haute pression est une technique plus courante que le moulage sous basse pression et est utilisée plus de deux fois plus souvent.

Idéale pour les alliages tendres comme l'aluminium et le zinc, la coulée sous haute pression consiste à forcer le métal liquide dans le moule à haute pression et à grande vitesse, ce qui nécessite une presse puissante pour maintenir le moule fermé. Le processus est donc plus coûteux que le moulage sous pression à basse pression.

Avantages du moulage sous haute pression :

• Fabrication rapide
• Parois fines possibles
• Finition de surface lisse
• Retrait minimal

Moulage sous basse pression est une forme plus lente de moulage sous pression qui force le métal fondu dans le moule plus doucement. Il convient aux alliages à bas point de fusion. Bien que plus lent que le moulage sous haute pression, le processus de coulée de métal à basse pression convient aux géométries complexes et peut produire des pièces très résistantes.

Avantages du moulage sous basse pression :

• Parties solides
• Géométries complexes

Métaux coulables

Une variété de métaux sont adaptés au processus de coulée. Cependant, les trois matériaux de moulage les plus courants acceptés par 3ERP sont l'aluminium, le zinc et le magnésium.

Coupe d'aluminium

La coulée d'aluminium est le moyen le plus répandu de façonner l'aluminium. Il est utilisé pour fabriquer des articles tels que des pièces industrielles et automobiles telles que des transmissions et des moteurs à partir d'alliages tels que A380 et A383.

Il existe plusieurs façons d'effectuer la coulée d'aluminium. Le moulage sous pression en aluminium est excellent pour la production à grand volume en raison de sa vitesse et de son excellente finition de surface; la coulée en moule permanent convient aux pièces en aluminium extra-résistantes ; et le moulage au sable est approprié pour le moulage d'aluminium de petites quantités et de géométries complexes.

Quel que soit le processus de coulée, la coulée d'aluminium produit des pièces solides et légères et est donc très polyvalente.

Coule de zinc

Les alliages de zinc sont des métaux populaires, abordables et largement disponibles, adaptés à la coulée. Le moulage du zinc implique généralement un moulage sous haute pression, permettant des taux de production élevés et des exigences de post-traitement minimales.

En raison de la grande fluidité de coulée du zinc, la coulée de zinc peut donner des pièces avec des parois très minces et des détails fins. Le zinc peut également être formé à froid pour un meilleur assemblage.

Les fabricants peuvent choisir entre des alliages de zinc ZAMAK ou des alliages zinc-aluminium (ZA). Les pièces en zinc coulé comprennent les composants automobiles, les pièces de climatisation et les composants électroniques.

Moulage de magnésium

Le moulage, en particulier le moulage sous haute pression, est de loin le processus de travail des métaux le plus courant pour la fabrication de pièces en magnésium, représentant environ 98 % de la production de pièces en magnésium.

Comme le magnésium est le plus léger de tous les métaux de structure, il est idéal pour les applications d'allègement. Les autres avantages de la coulée de magnésium incluent des parois très fines, d'excellents détails et un bon rapport rigidité/poids.

En petites quantités, les pièces en magnésium peuvent également être fabriquées à l'aide de moulage en plâtre, bien que le moulage sous pression en magnésium soit préférable pour les applications professionnelles.

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