Comprendre le moulage sous pression

Des blocs moteurs aux poignées de porte, le moulage sous pression est une technique de production de métal rapide, précise et reproductible adaptée aux grandes ou petites pièces. Les pièces moulées sous pression ont une excellente finition de surface et le processus est compatible avec une gamme de métaux non ferreux.

En raison des coûts de démarrage élevés associés au moulage sous pression, le processus est généralement utilisé pour la production à grand volume, où l'échelle de fabrication compense les coûts élevés des machines et de l'outillage. Les prototypes moulés sous pression et les séries de production à faible volume sont plus difficiles à obtenir, car il est dans l'intérêt économique des entreprises de moulage sous pression de travailler avec des clients qui passent des commandes groupées. Cependant, 3ERP fournit actuellement une solution unique de moulage sous pression pour les clients souhaitant passer des commandes de moulage sous pression plus petites.

Cet article examine en profondeur le moulage sous pression des métaux, expliquant les matériaux, les finitions de surface et les applications appropriés pour le processus.

Qu'est-ce que le moulage sous pression ?

Le moulage sous pression est un type de moulage de métal qui utilise une pression élevée pour forcer le métal en fusion dans une cavité de moule formée de deux matrices. Il partage des caractéristiques avec le processus de fabrication de plastique du moulage par injection.

Dans le paysage plus large de la coulée de métal, la coulée sous pression est l'une des techniques les plus populaires en raison de sa précision, de sa haute qualité et de son niveau de détail. La catégorie plus large de la coulée de métal, qui existe depuis des milliers d'années, contient de nombreux procédés différents qui utilisent un moule pour former du métal liquide. Historiquement, un tel processus impliquait généralement de verser le métal liquide dans le moule à l'aide de la gravité - et de nombreux processus de coulée de métal fonctionnent toujours de cette façon. La coulée sous pression, cependant, est une forme relativement nouvelle de coulée de métal, introduite au 19ème siècle, et elle utilise la pression au lieu de la gravité pour remplir la cavité du moule.

Le moulage sous pression est parfois appelé moulage sous pression à haute pression, en raison de la quantité de pression - généralement de 10 à 140 mégapascals - utilisée pour forcer le métal dans la cavité du moule. Le processus connexe de moulage sous pression à basse pression (LPDC) est moins courant. Le moulage sous pression appartient généralement à l'une des deux catégories suivantes :le moulage sous pression à chambre chaude et le moulage sous pression à chambre froide, qui conviennent à différents types de métaux. Cependant, il existe également d'autres types de moulage sous pression plus spécialisés, tels que le moulage de métal semi-solide (SSM).

Comment fonctionne le moulage sous pression

En termes simples, le moulage sous pression de métal fonctionne en utilisant une pression élevée pour forcer le métal en fusion dans une cavité de moule, qui est formée de deux matrices en acier trempé. Une fois la cavité remplie, le métal en fusion se refroidit et se solidifie, et les matrices s'ouvrent pour que les pièces puissent être retirées. Dans la pratique, cependant, le processus comporte de nombreuses étapes et des ingénieurs qualifiés sont nécessaires pour faire fonctionner l'équipement de moulage sous pression.

Ici, nous allons diviser le processus de moulage sous pression en trois étapes :

1. Fabrication de moules
2. Distribution
3. Post-usinage

Comment fabriquer un moule de coulée sous pression

Un moule de coulée sous pression se compose d'au moins deux moitiés :le côté couvercle (monté sur une plaque fixe) et le côté éjecteur (sur une plaque mobile). Certaines matrices ont également d'autres sections comme des glissières et des noyaux, qui sont utilisées pour produire des pièces plus complexes, telles que celles avec des trous et des filetages.

Selon la taille des pièces fabriquées, un moule de coulée sous pression peut avoir plusieurs cavités pour permettre la production de plusieurs pièces par cycle. Ces moules ont soit plusieurs cavités identiques (matrice à plusieurs cavités), soit un mélange de différentes cavités pour produire différentes pièces (matrice unitaire).

L'outillage pour le moulage sous pression doit être incroyablement solide et résistant à la chaleur, en plus d'avoir une bonne résistance à l'usure et une bonne ductilité. Ils sont donc fabriqués à partir d'aciers à outils trempés à haute performance - souvent traités thermiquement - leur permettant de subir des centaines de cycles de coulée par heure et jusqu'à deux millions de cycles sur toute leur durée de vie. L'outillage de moulage sous pression doit maintenir ses performances sous des forces de serrage très élevées.

La fabrication d'un moule de moulage sous pression commence par la conception assistée par ordinateur (CAO) utilisée conjointement avec des outils de conception et de simulation spécifiques au moulage. Comme pour les moules à injection, l'outillage pour le moulage sous pression doit avoir des trous de coulée, des glissières et des portes pour permettre au matériau fondu d'entrer dans la cavité. Des goupilles de verrouillage et des goupilles d'éjection doivent également être incorporées pour sécuriser le moule et faciliter l'éjection. La conception numérique du moule permet la création de formes complexes et de tolérances serrées.

L'usinage CNC est largement utilisé pour fabriquer l'outillage de moulage sous pression. En règle générale, la fabrication de moules de coulée sous pression commence par un usinage grossier de la forme du moule, suivi d'un traitement thermique du moule métallique, puis enfin d'un cycle d'usinage de finition. Les matrices de qualité prototype peuvent également être fabriquées à l'aide d'un outillage rapide, en utilisant soit l'usinage CNC, soit d'autres processus comme le frittage sélectif au laser (SLS).

Comment couler des pièces métalliques

Semblable au moulage par injection, après la fabrication de moules, les pièces de moulage sous pression peuvent être fabriquées dans la machine de moulage sous pression. Le processus de moulage sous pression comprend quatre étapes principales :préparation, remplissage, éjection et décochage.

Cependant, le processus de coulée varie légèrement selon que l'on utilise une chambre chaude ou une chambre froide. Ces deux variantes du processus de coulée sous pression à haute pression offrent des avantages différents :l'une convient à la coulée à grande vitesse, tandis que l'autre s'adapte à une plus grande variété de matériaux de coulée.

Coupe sous pression en chambre chaude

Pendant coulée sous pression en chambre chaude , le métal machine de moulage sous pression contient l'équipement nécessaire pour chauffer le métal à l'état fondu. Parce qu'il s'agit d'un système autonome, il est beaucoup plus rapide que l'alternative, offrant des temps de cycle , bien qu'il ne soit adapté qu'à une sélection de matériaux de moulage , y compris le zinc, l'étain et le plomb alliages .

Coupe sous pression en chambre froide

Le processus de moulage sous pression en chambre froide nécessite l'utilisation d'un four séparé pour chauffer le métal. Cela ralentit naturellement taux de production , comme métal en fusion doit être apporté au machine de moulage sous pression avec une louche. Cependant, parce qu'un four séparé est plus puissant qu'un machine de moulage sous pression à chambre chaude , les métaux à haut point de fusion peuvent être coulés. Cette méthode convient à la coulée d'aluminium.

Qu'il s'agisse d'une machine à chambre chaude ou à chambre froide, le processus de moulage sous pression se déroule généralement comme suit :

1. Préparation du moule
2. Remplir
3. Éjection
4. Secousse

Lors de la préparation du moule, les surfaces intérieures des deux demi-moules sont enduites d'un lubrifiant pour faciliter l'éjection une fois les moulages terminés. Les moitiés de matrice peuvent ensuite être fermées et sécurisées avec des goupilles de verrouillage.

Le remplissage du moule est réalisé à l'aide d'un système de pression. Ce système diffère entre les systèmes à chambre chaude et à chambre froide. Dans les deux cas, le résultat final est que le métal en fusion est forcé par un piston dans la cavité du moule via la carotte. Des pressions élevées - jusqu'à 35 mégapascals dans une chambre chaude et 140 mégapascals dans une chambre froide - assurent un remplissage rapide et complet, ce qui conduit à son tour à un refroidissement constant qui empêche un retrait irrégulier et la déformation des pièces qui en résulte. La pression est maintenue pendant le refroidissement.

Les deux moitiés de matrice sont ouvertes et les éjecteurs sont utilisés pour retirer les pièces moulées. En règle générale, les matrices sont ensuite immédiatement refermées prêtes pour le tir suivant. Pendant ce temps, les pièces moulées finies sont prêtes pour le décochage, ce qui implique l'élimination de sections de rebut de la grenaille telles que les carottes, les glissières et le flash (infiltration de matériau au niveau de la ligne de séparation). Cet enlèvement de matière peut être réalisé à l'aide d'outils manuels, par culbutage ou avec une matrice de découpe hydraulique.

Post-usinage

De nombreuses pièces métalliques moulées sous pression nécessitent un minimum d'opérations secondaires. Cela est dû aux pressions élevées impliquées, qui permettent un haut niveau de détail et une bonne finition de surface. Cependant, de nombreuses pièces moulées en forme nette et quasi nette nécessitent également un usinage de précision pour les trous, les filetages et d'autres caractéristiques. Certains métaux de fonderie sont plus faciles à usiner que d'autres :le moulage sous pression de magnésium et le moulage sous pression d'aluminium, par exemple, sont parfaitement adaptés au post-usinage.

Un avantage secondaire des moulages sous pression post-usinage est la possibilité d'utiliser les capacités d'inspection sur machine de la machine CNC, permettant au machiniste de valider les pièces.

Applications de moulage sous pression

Le moulage sous pression est un processus puissant et polyvalent adapté à une gamme de pièces, des composants de moteur aux boîtiers électroniques. Les raisons de la polyvalence du moulage sous pression incluent sa grande surface de construction, sa gamme d'options de matériaux et sa capacité à fabriquer des pièces détaillées, reproductibles et à parois minces.

• Automobile :Le moulage sous pression en aluminium est populaire dans l'industrie automobile car il peut produire des composants légers tels que des vérins hydrauliques, des supports de moteur et des carters de boîte de vitesses. Le moulage sous pression en zinc convient aux composants de carburant, de freinage et de direction assistée, tandis que le moulage sous pression en magnésium convient aux panneaux et aux cadres de siège.
• Aéronautique :Comme dans l'industrie automobile, les fournisseurs de pièces aérospatiales utilisent le moulage sous pression d'aluminium pour fabriquer des pièces légères qui présentent un niveau élevé de résistance à la chaleur et à la corrosion. Les pièces légères réduisent la consommation de carburant.
• Énergie :Les pièces moulées sous pression dans le secteur du pétrole et du gaz comprennent les vannes, les composants de filtration et les roues. Les pièces d'énergie renouvelable telles que les pales d'éoliennes peuvent également être moulées sous pression.
• Électronique :Le moulage sous pression est répandu dans l'électronique, car il est utilisé pour des éléments tels que des boîtiers, des boîtiers et des connecteurs. Les pièces moulées sous pression peuvent également être conçues avec des dissipateurs thermiques intégrés, qui sont nécessaires pour de nombreux appareils. Le moulage sous pression en magnésium est populaire pour les composants de blindage RFI EMI à paroi mince, tandis que le moulage sous pression en aluminium pour les composants d'éclairage à LED est répandu. (Le moulage sous pression pour le boîtier de LED utilise généralement un alliage comme A383.)
• Construction  :L'industrie de la construction utilise l'aluminium moulé sous pression pour les grandes structures telles que les cadres de bâtiment et les cadres de fenêtre.
• Ingénierie  :Les équipements de levage, les machines-outils et d'autres équipements contiennent souvent des composants moulés sous pression.
• Médical  :Dans le domaine de la santé, le moulage sous pression peut être utilisé pour surveiller les composants d'appareils, les systèmes à ultrasons et d'autres éléments.

Matériaux de moulage sous pression

Les fabricants doivent tenir compte de certains facteurs et variables lors du choix des matériaux de moulage sous pression. Ceux-ci incluent :

• Si le matériau est adapté au moulage sous pression à chambre chaude 
• Coûts matériels 
• Coûts indirects des matériaux (par exemple, tout post-traitement supplémentaire requis) 
• Propriétés structurelles des matériaux 
• Force 
• Poids 
• Finition de surface 
• Machinabilité 

Tous ces facteurs doivent être pris en compte lors du choix d'un matériau de moulage sous pression pour des pièces ou des prototypes.

Alliages d'aluminium moulés sous pression

L'aluminium est l'un des principaux métaux de moulage sous pression et les alliages d'aluminium sont utilisés dans le moulage sous pression à chambre froide. Ces alliages contiennent généralement du silicium, du cuivre et du magnésium.

Les alliages d'aluminium pour moulage sous pression sont légers et offrent une bonne stabilité dimensionnelle, ce qui en fait un bon choix pour les pièces complexes et fines. Les autres avantages de la fonte d'aluminium incluent une bonne résistance à la corrosion, une résistance à la température et une conductivité thermique et électrique.

Les alliages d'aluminium courants pour moulage sous pression comprennent :

• 380 :Un alliage d'aluminium à usage général qui équilibre la coulabilité avec de bonnes propriétés mécaniques. Il est utilisé dans une très grande variété de produits, y compris les supports de moteur, les meubles, les boîtiers électroniques, les cadres, les poignées, les boîtiers de boîte de vitesses et les outils électriques.
• 390 :Un alliage avec une excellente résistance à l'usure et aux vibrations. Il a été développé spécifiquement pour le moulage sous pression de blocs moteurs automobiles et convient également aux corps de soupapes, aux roues et aux carters de pompe.
• 413 :Un alliage d'aluminium avec d'excellentes propriétés de coulée. Il a une bonne étanchéité à la pression et est donc utilisé pour des produits tels que les vérins hydrauliques, ainsi que pour les pièces architecturales et les équipements de l'industrie alimentaire et laitière.
• 443 :Le plus ductile des alliages d'aluminium moulés sous pression, cet alliage convient aux biens de consommation, en particulier ceux qui nécessitent une déformation plastique après coulée.
• 518 :Un alliage d'aluminium ductile avec une bonne résistance à la corrosion. Il est utilisé dans une variété de produits, y compris les accessoires de quincaillerie d'avion, la quincaillerie ornementale et les composants d'escaliers mécaniques.

Alliages de moulage sous pression au magnésium

Le magnésium est un autre matériau de moulage sous pression très populaire. Il est encore plus léger que l'aluminium, avec l'avantage supplémentaire d'être hautement usinable, ce qui le rend adapté aux pièces moulées qui nécessitent des détails usinés supplémentaires ou une finition de surface usinée.

Un avantage majeur des alliages de magnésium pour moulage sous pression est leur aptitude au moulage sous pression à chambre chaude, ce qui les rend plus faciles à utiliser que les métaux de moulage sous pression comme l'aluminium. Les autres éléments des alliages de magnésium comprennent l'aluminium, le zinc, le manganèse et le silicium.

Les alliages courants de moulage sous pression de magnésium comprennent :

• AZ91D :Un alliage à usage général avec une bonne coulabilité, une bonne résistance à la corrosion et un bon rapport résistance/poids. Les applications incluent les composants mécaniques et du groupe motopropulseur.
• AM60 :Un alliage avec une bonne coulabilité, résistance, amortissement des vibrations et ductilité. Il est utilisé dans les composants automobiles tels que les cadres et les panneaux de siège.
• Terre rare alliages AS41B et AE42 :Alliages avec une résistance supérieure à la température, ainsi qu'une bonne résistance au fluage, à la corrosion et à la ductilité. Les deux alliages se trouvent dans les pièces du moteur.

Alliages de zinc moulé sous pression

Les alliages de zinc constituent une autre grande catégorie de métaux de moulage sous pression. Coulable dans une machine de coulée sous pression à chambre chaude, la coulée de zinc est l'option de coulée sous pression la plus conviviale pour les fabricants et offre d'autres avantages tels que la résistance aux chocs, la ductilité et l'aptitude au placage. En raison de sa coulabilité, il en résulte également une usure minimale de la matrice.

Le zinc est plus lourd que l'aluminium et le magnésium et est généralement allié à l'aluminium, au cuivre et au magnésium.

Les alliages courants de zinc moulé sous pression comprennent :

• Zamak 3 :Alliage de zinc à usage général, facile à couler et offrant une excellente stabilité dimensionnelle. En Amérique du Nord, plus des deux tiers des moulages sous pression en zinc utilisent du Zamak 3. Les exemples d'utilisation incluent les ventilateurs de plafond et les composants de plomberie.
• Zamak 2 :Un alliage légèrement plus résistant et plus cher avec une teneur en cuivre ajoutée. Cet alliage de zinc coulé est souvent utilisé pour produire des outils de moulage par injection plastique.
• Zamak 5 :Un alliage de zinc de composition proche du Zamak 3 mais avec une plus grande résistance à la traction et une ductilité plus faible. Populaire pour les produits tels que les pièces automobiles et les poids d'équilibrage des roues.

Autres alliages de moulage sous pression

Les autres matériaux de moulage sous pression comprennent le cuivre, le tombac de silicium, le plomb et les alliages d'étain, en plus des alliages de zinc et d'aluminium.

Les alliages de cuivre présentent une résistance, une dureté et une résistance à la corrosion élevées, en plus d'une excellente stabilité dimensionnelle. Pendant ce temps, les alliages de plomb et d'étain sont très denses et peuvent être résistants à la corrosion. Les alliages zinc-aluminium sont reconnaissables au préfixe ZA; ceux qui contiennent moins d'aluminium peuvent être moulés sous pression à chambre chaude, mais ceux qui en contiennent 11 % ou plus ne le peuvent généralement pas.

Options de finition de moulage sous pression

Le moulage sous haute pression produit des pièces de qualité supérieure et les options de finition peuvent souvent être réduites au minimum. Cependant, de nombreuses options de finition fonctionnelles et esthétiques sont disponibles pour les pièces moulées sous pression.

Ébavurage

Une procédure de finition standard est l'ébavurage, qui peut être considéré comme une continuation de l'étape de décochage. L'ébavurage implique l'élimination des imperfections causées par le processus de fabrication et est déployé pour normaliser l'apparence et la fonction de la pièce sans ajouter de texture ou de couleur spécifique.

Les méthodes d'ébavurage incluent :

• Ébavurage manuel avec des matériaux abrasifs (peut également être automatisé)
• Ébavurage par vibration avec des outils tels que des rouleaux et le sablage
• Rogner avec un poinçon

Options de finition secondaires

Une fois les imperfections éliminées des pièces métalliques moulées sous pression à l'aide d'un processus d'ébavurage comme le sablage ou le ponçage manuel, il est possible d'effectuer des options de finition secondaires pour transformer la finition de surface des pièces moulées. Ces techniques de finition ajustent la texture ou la couleur des pièces moulées sous pression.

Les finitions secondaires de moulage sous pression incluent :

• Polissage avec un équipement manuel pour obtenir une finition très brillante
• Peinture pour modifier la couleur des moulages
• Revêtement en poudre pour modifier la couleur et la texture des moulages
• Métallisation pour ajouter un revêtement de surface d'un matériau différent, à des fins esthétiques ou fonctionnelles (par exemple, placage d'un composant électronique avec un métal plus conducteur d'électricité).

Stratégie de sélection d'un fabricant de moulage sous pression

Le moulage sous pression est un processus de fabrication courant utilisé par un large éventail d'entreprises. Cependant, trouver un fabricant de moulage sous pression est beaucoup plus difficile que de trouver, par exemple, un machiniste ou un fournisseur de services d'impression 3D. En effet, le moulage sous pression est généralement utilisé par les grands fournisseurs de pièces pour la production à grand volume.

Pour les petites et moyennes entreprises qui ont besoin de pièces métalliques moulées sous pression, la sélection d'un fabricant de moulage sous pression pose des défis. Généralement, les fabricants de ce domaine appartiennent à l'une des quatre catégories suivantes :

1. Entreprises de moulage sous pression qui fabriquent des moules et des pièces de moulage sous pression mais qui n'offrent pas de post-usinage
2. Entreprises de moulage sous pression disposant de quelques machines CNC mais qui imposent des délais beaucoup plus longs pour les pièces post-usinées en raison de leur capacité d'usinage limitée
3. Entreprises de moulage sous pression disposant d'un grand nombre de machines CNC pour le post-usinage mais qui travaillent presque exclusivement avec de grandes entreprises passant de grosses commandes
4. Les entreprises d'usinage CNC qui peuvent effectuer le post-usinage de pièces moulées sous pression mais qui ne peuvent pas elles-mêmes fabriquer des moules ou des pièces moulées sous pression

De toute évidence, cela rend difficile pour les petites entreprises de trouver un partenaire de moulage sous pression. Si un post-usinage est nécessaire, ces entreprises acceptent souvent les délais plus longs proposés par la deuxième catégorie de partenaires de moulage sous pression.

Mais il existe une autre option :en travaillant avec un partenaire de moulage sous pression de petite ou moyenne taille et un partenaire d'usinage dédié comme 3ERP - combinant les options 1 et 4, en fait - les entreprises peuvent commander de plus petits volumes de pièces moulées sous pression avec post-usinage avec des délais étonnamment courts.

Chez 3ERP, nous avons une sélection de partenaires de moulage sous pression de confiance avec lesquels nous travaillons pour fournir un service de moulage et de finition sans faille, en obtenant des pièces moulées de qualité fabriquées et livrées dans un court délai.

Directives de conception de moulage sous pression

Comme pour la plupart des processus de fabrication, le moulage sous haute pression s'accompagne de son propre ensemble de règles et de contraintes de conception. Celles-ci incluent des considérations sur les lignes de séparation, les angles de dépouille et les limites d'épaisseur de paroi.

Ligne de séparation

Une pièce moulée sous pression est fabriquée à l'aide de deux matrices en acier trempé. La ligne où les deux matrices se rencontrent s'appelle la ligne de séparation, et cette ligne est souvent visible après la coulée sous forme de flash - une fine extrusion de matériau en excès qui s'est échappée de la cavité au niveau de la ligne de séparation en raison d'une force de serrage insuffisante.

Lors de la conception du moulage sous pression, le concepteur doit trouver un emplacement approprié pour la ligne de séparation, c'est-à-dire décider où le moule sera divisé en deux. Cela dépend de plusieurs facteurs, notamment :

• Flux de matière :l'entrée du flux de métal doit être située le long de la ligne de joint pour assurer un remplissage optimal de la cavité du moule.
• Fonctionnalités esthétiques :les fonctionnalités esthétiques ne doivent pas être situées près de la ligne de séparation, car elles peuvent être obstruées par des portes et des évents.
• Post-usinage :la zone de la ligne de séparation du moulage nécessitera probablement le plus d'usinage et de finition, elle doit donc être située de manière à faciliter l'accès à la machine-outil.

De petites quantités de bavures sont inévitables, les concepteurs doivent donc se préparer à la nécessité de les couper après le retrait du moulage du moule.

Épaisseur de paroi

Comme pour les autres procédés de coulée et de moulage, les pièces moulées sous pression conviennent à des épaisseurs de paroi constantes, car cela favorise un remplissage et un refroidissement constants des pièces moulées en métal, réduisant ainsi le risque de retrait et de déformation irréguliers.

Brouillon

Les pièces métalliques moulées sous pression nécessitent une petite quantité d'ébauche - côtés coniques de la cavité du moule - afin que les pièces moulées puissent être facilement éjectées des matrices sans les endommager. Toutes les surfaces parallèles à la direction d'ouverture de la matrice nécessitent une dépouille.

Les surfaces intérieures comme les trous non taraudés nécessitent un angle de dépouille plus important que les murs extérieurs (qui se rétractent naturellement de l'intérieur du moule).

Congés et rayons

Les filets sont des coins internes arrondis qui augmentent la capacité de charge des pièces moulées sous pression. Ils sont également plus faciles à fabriquer que les coins internes pointus et doivent donc être intégrés en standard dans les conceptions de moulage sous pression. L'utilisation d'un rayon égal sur les congés est préférable aux congés avec des rayons variables.

Les rayons sont des coins externes arrondis et jouent une fonction différente mais tout aussi importante, aidant à améliorer l'écoulement du métal dans la cavité du moule.

Côtes

Les nervures sont de petites protubérances de la pièce moulée sous pression qui servent à augmenter la résistance et la rigidité sans recourir à des parois plus épaisses et à une utilisation accrue du matériau. Ils améliorent également le flux de métal. Notez que les nervures nécessitent leurs propres considérations de congé et de rayon pour une résistance et un écoulement maximum.

Grâce à notre réseau de partenaires de fabrication de confiance, 3ERP offre une processus de moulage sous pression même à faible volume. Contactez-nous pour un devis gratuit.