La fonderie à la cire perdue : précision et production rentable

Cire perdue, moules à usage unique créent des produits de précision avec des surfaces plus fines

Qu'est-ce que la fonderie à la cire perdue ?

La fonderie à la cire perdue, souvent appelée « fonderie à cire perdue », utilise un processus de moule sacrificiel pour créer des produits complexes avec des surfaces exceptionnellement fines. C'est une technique de précision en raison de la polyvalence qui peut être créée dans la conception du moule. Les modèles de fonderie en sable doivent être divisés en deux, et avoir des noyaux internes capables d'être supportés à l'intérieur d'un moule fendu fermé. Les moules d'investissement peuvent être fabriqués sous presque toutes les formes qui peuvent être sculptées dans la cire et revêtues. Le processus et le moulage sont plus coûteux, mais les produits produits peuvent être plus complexes et précis. La surface de tous les moulages métalliques reflète les matériaux dans lesquels ils sont coulés. Les moulages en sable ont donc une texture bosselée. Les moulages par investissement peuvent sortir du moule avec une finition plus lisse.

Quels sont les produits courants de la fonderie à la cire perdue ?

Les produits de fonderie à la cire perdue se retrouvent souvent comme pièces opérationnelles de machines de précision. Dans une automobile, par exemple, le carter moteur peut être moulé en sable. Les ventilateurs, cames et autres pièces aux formes complexes, en particulier ceux qui bougent et nécessitent des surfaces fines, seront souvent moulés par investissement.

La fonderie à la cire perdue est également courante pour les statuaires très détaillés, les bijoux ou autres articles décoratifs qui ont des détails très fins et des finitions de surface lisses.

Processus de fonderie à la cire perdue

Le processus de fonderie à la cire perdue nécessite un modèle sacrificiel, généralement en cire ; un matériau de moule en céramique ; un four ; et un processus de fonderie pour fondre les métaux et remplir les moules.

Modèles sacrificiels ou en cire

Un modèle est une réplique exacte du produit final à fabriquer. Paradoxalement, un modèle est fabriqué en remplissant un moule d'injection souvent en aluminium ou en acier. Ces moules peuvent être usinés, imprimés en 3D, ou même sculptés à la main. Créer chaque pièce avec ces processus serait plus cher que de créer un moule puis de passer à un processus de fonderie. La fonderie à cire perdue est plus coûteuse que la fonderie en sable, mais elle est toujours capable de monter en charge pour une production industrielle à haut rendement. Une fois le moule d'injection créé, les modèles en cire peuvent être fabriqués rapidement et en grandes quantités, car ils nécessitent un temps minimal pour refroidir et se solidifier.

Assemblages de modèles

Une fois formés, les modèles en cire sont assemblés en un arbre, ou système de coulée, qui permettra de couler plusieurs articles en même temps. La formation de l'arbre est faite à partir d'une série de canaux et de tuyères, également en cire solide. Ces branches en cire solide formeront éventuellement les canaux creux qui transporteront le métal en fusion pour former chaque produit final. Les structures d'arbre doivent être assemblées soigneusement pour garantir des produits de qualité et des flux de travail efficaces. Selon les installations du site et la taille du produit, de nombreux modèles peuvent être assemblés dans le même arbre pour une production en vrac. Les articles plus grands peuvent également être coulés individuellement.

Moule « d'investissement » en céramique

Une fois la structure d'arbre assemblée, elle est trempée dans un bain de céramique liquide. La céramique recouvre tout l'arbre et est laissée à sécher. Ces bains sont répétés plusieurs fois, laissant chaque couche durcir, jusqu'à ce qu'un moule épais soit créé. L'arbre est ensuite chauffé pour faire fondre la cire, qui s'écoule entièrement du moule. Une fois la cire retirée, le moule est chauffé à une température plus élevée et le métal en fusion est versé à l'intérieur, remplissant les cavités autrefois occupées par le modèle en cire. Le processus d'application de la boue de céramique est appelé l'aspect « investissement » de la fonderie à la cire perdue.

Retrait du moule

Une fois que le métal a refroidi et solidifié, le moule en céramique est brisé pour révéler les pièces coulées. Les canaux et tuyères sont ensuite retirés, et toute finition ou traitement supplémentaire est alors appliqué.

Application polyvalente

Les modèles en cire peuvent être fabriqués sous pratiquement n'importe quelle forme, sans conicité et sans affecter la qualité du produit final.

La fonderie à la cire perdue peut être utilisée pour une gamme de produits et de matériaux. Selon les installations de coulée du site, les produits peuvent peser aussi peu qu'une fraction d'once, et jusqu'à plusieurs milliers de livres. Les moules d'investissement en céramique conviennent également aux coulées à haute température.

Les matériaux couramment utilisés dans la fonderie à la cire perdue comprennent les aciers et autres alliages à base de fer, d'aluminium, de nickel, de cobalt, de titane et de cuivre. Selon l'application, la fonderie à la cire perdue peut convenir à des séries de production courtes ou longues, et peut produire plusieurs centaines de produits à la fois.

Les matériaux en cire et en céramique peuvent être réutilisés tout au long du processus de fonderie à la cire perdue. La cire usagée est refondue en canaux et alimentations, et les moules en céramique peuvent être retraitées pour être utilisés dans de nouveaux moules — généralement les couches externes en céramique où moins de précision est requise.

Avantages de la fonderie à la cire perdue par rapport à la fonderie en sable

Toutes les méthodes de fonderie offrent de nombreux avantages de conception : la capacité de minimiser les apports de matériau, et de former des structures qui seraient autrement difficiles à réaliser sans usinage ou assemblage significatifs.

Un avantage clé de la fonderie à la cire perdue, cependant, est la polyvalence de son moule. Parce que le moule est sacrificiel, et parce que les modèles en cire peuvent être retirés sans obstruction sous forme liquide, les fabricants ont une quantité exceptionnelle de liberté lors de la conception de produits de fonderie à la cire perdue. La fonderie à la cire perdue offre des capacités de conception beaucoup plus complexes que la plupart des autres méthodes de moulage et de fonderie.

Fonderie à la cire perdue versus fonderie en sable

La fonderie en sable est une autre méthode de fonderie efficace qui utilise du sable pour former des moules jetables. C'est la méthode de fonderie la plus utilisée en Amérique du Nord, mais il y a plusieurs différences clés.

Lors de la sélection de la meilleure méthode de fonderie pour un projet, considérez les éléments suivants :

• Les moules en sable doivent être séparés pour retirer un modèle avant le coulage. Pour assurer un moule correct, un modèle doit être conçu avec des conicités, ou dépouilles, pour minimiser la friction — et pour empêcher le moule en sable d'être perturbé — lorsque les sections sont séparées. Parce que les moules en sable sont composés de deux pièces, le produit final aura toujours une ligne de séparation, qui peut devoir être meulée une fois refroidi.
• Les moules de fonderie en sable peuvent être facilement ajustés pour accommoder les changements de conception. Cela donne la liberté à un ingénieur de changer les pièces rapidement et facilement après les avoir testées.
• Les cavités internes peuvent également être un défi pour la fonderie en sable, qui repose sur l'utilisation de noyaux. Un noyau est une forme préformée qui est insérée dans un moule pour former l'intérieur de la pièce non en contact avec la surface du moule. Selon la forme et la complexité d'un noyau — qui peut être un composant unique ou un assemblage de plusieurs noyaux — il peut être long à former et à sécuriser dans un moule.
• En fonderie en sable, de nouveaux moulages sont fabriqués plus rapidement qu'en fonderie à la cire perdue en raison de la réutilisabilité du modèle.
• Il convient également de noter que les moules en sable, même avec des additifs synthétiques et un compactage élevé, ne peuvent pas atteindre la dureté de la céramique. En conséquence, les surfaces moulées en sable ont souvent des tolérances plus élevées et nécessitent un meulage machine pour obtenir une surface finie.
• Il convient également de noter que les moules en sable, même avec des additifs synthétiques et un compactage élevé, ne peuvent pas atteindre la dureté de la céramique. En conséquence, les surfaces moulées en sable ont souvent des tolérances plus élevées et nécessitent un meulage machine pour obtenir une surface finie.
• La fonderie en sable peut produire des composants métalliques de toutes tailles et poids, tandis que la fonderie à la cire perdue nécessite que les pièces finales pèsent moins de 100 livres (environ 45 kg).
• Avec la fonderie à la cire perdue, les modèles en cire peuvent être fabriqués sous pratiquement n'importe quelle forme.
• Les moules en céramique sont également très durs, ce qui crée des surfaces lisses avec de faibles tolérances, souvent avec des parois très minces. Une fois les canaux et tuyères retirés, de nombreux produits ne nécessitent aucune main-d'œuvre supplémentaire pour le traitement ou la finition.
• Avec la fonderie à la cire perdue, les modèles en cire peuvent être fabriqués sous pratiquement n'importe quelle forme — sans conicité et sans affecter la qualité du produit final.
• Les moules en céramique sont également très durs, ce qui crée des surfaces lisses avec de faibles tolérances — souvent avec des parois très minces. Une fois les canaux et tuyères retirés, de nombreux produits ne nécessitent aucune main-d'œuvre supplémentaire pour le traitement ou la finition.

Planification d'un projet de fonderie à la cire perdue

Déterminer la meilleure méthode de fabrication dépend d'une gamme de facteurs. Voici quelques éléments à considérer avec vos professionnels de la conception de production :

• Type de produit final : Quelle est la taille et la forme souhaitées du produit ? Différentes méthodes de fonderie seront mieux adaptées à certaines dimensions, et elles influenceront également la quantité d'usinage nécessaire pour atteindre les dimensions finales.
• Quantité : En tenant compte des quantités, il est préférable de regarder le plus loin possible. Ce qui pourrait être plus économique à court terme peut s'avérer plus coûteux si l'on prévoit plusieurs lots à long terme. Un investissement initial plus important dans l'outillage et les moules peut souvent économiser de l'argent sur le long terme. Les productions à court terme ou uniques, cependant, n'exigeront pas le même investissement.
• Tolérances : Quelle exactitude vos dimensions doivent-elles avoir ? Des tolérances minimales peuvent souvent être atteintes avec la fonderie à la cire perdue, en particulier pour les produits à parois très minces.
• Application mécanique : La fonderie peut réduire la quantité d'assemblage requise pour les applications mécaniques — économisant souvent du temps et de la main-d'œuvre par la suite.
• Exigences matérielles : Les moules en céramique utilisés dans la fonderie à la cire perdue conviennent à une large gamme de matériaux, y compris les alliages à base d'acier et de fer coulés à haute température.
• Post-production : Comme pour d'autres formes de fonderie, selon leur application finale, les produits coulés par investissement peuvent subir divers traitements thermiques ou autres finitions de surface si nécessaire.

Fonderies de fonderie à la cire perdue

La plupart des fonderies qui produisent des moulages par investissement ne fourniront pas nécessairement d'autres méthodes de production de fonderie, préférant se spécialiser dans une seule méthode de production de fonderie. Des différences significatives existent entre les méthodes de production telles que la fonderie en sable vs la fonderie à la cire perdue, ce qui rend improbable qu'une seule entreprise ait l'infrastructure nécessaire pour offrir plus d'une méthode de production de moulage.

Il est normal que les moulages par investissement coûtent plus cher que les moulages produits à l'aide d'autres méthodes plus simples, comme la fonderie en sable. Les avantages obtenus, cependant — y compris la complexité, la fiabilité, la reproductibilité, la finition de surface et d'autres — compensent largement la différence de coût.

Il est important de bien comprendre les paramètres de conception du moulage que vous concevez ou essayez d'acheter. Si les moulages par investissement peuvent offrir une pièce au net sans usinage, par exemple, mais qu'un moulage en sable devra être usiné, alors le coût supplémentaire pour la fonderie à la cire perdue peut être justifié.

Sources

• Grote, Karl-Heinrich et Erik K. Antonsson. Springer Handbook of Mechanical Engineering, Volume 10. Pasadena, CA : Springer Science & Business Media, 2009.
• Hunt, L.B. "The Long History of Lost Wax Casting: Over Five Thousand Years of Art and Craftmanship." Gold Bulletin. Juin 1980, Volume 13, Issue 2, pp 63-79.
• Rundman, Karl B. Metal Casting (Reference Book for MY4130). Michigan Tech. University : Department of Materials Science and Engineering.