Moulage en sable expliqué : Étapes, applications et avantages

Qu'est-ce que le moulage en sable ?

Dans le moulage en sable, du métal en fusion est versé dans une cavité de moule en sable expirable par gravité ou sous pression, où il se solidifie pour former la pièce de la forme de la cavité. Un objet 3D formé par ce procédé est aussi appelé pièce moulée. Les moulages en sable les plus courants incluent les blocs moteurs et culasses.

C'est le procédé de moulage de métal le plus utilisé, représentant un pourcentage significatif du total des pièces moulées en poids. Durant le processus, le matériau est chauffé à la température adéquate pour fondre et parfois traité pour modifier sa composition chimique afin d'obtenir les propriétés mécaniques requises. Le métal en fusion est ensuite versé dans un moule ayant la cavité de forme souhaitée pour refroidir et se solidifier.

Pour produire des moulages en sable de la meilleure qualité au coût le plus bas, les concepteurs doivent prêter une attention particulière à plusieurs exigences du processus et comprendre les limites du moulage en sable. Il y a 8 éléments clés : angle de décollement, ligne de joint, contre-dépouilles et noyaux, sections transversales, épaisseur de paroi, coins et angles, conception des jonctions, retraits de moulage – à considérer pour éviter les pièges courants.

Les défauts ou inconvénients ne posent problème que s'ils affectent la fonctionnalité de la pièce. Le choix d'un procédé de fabrication adapté est vital pour satisfaire les exigences fonctionnelles.

Caractéristiques du moulage en sable

Le moulage en sable est la méthode de fabrication la plus polyvalente et offre aux ingénieurs la liberté de concevoir des pièces complexes à partir d'un nombre illimité de métaux et alliages.

• Plus de 70 % de tous les moulages métalliques sont produits par ce procédé
• Pièces de tailles très variées : de petites statues à des pièces de plus de 100 tonnes
• Pièces très complexes réalisables facilement et en une seule pièce
• Précision dimensionnelle faible
• Finition de surface médiocre
• Hautement adaptable, utilisable pour la production de masse

Comment fonctionne le procédé de moulage en sable ?

Éléments du système d'écoulement (gating system)

Le moulage en sable est l'un des procédés de moulage métallique les plus courants. Son moule est composé de deux moitiés contenues dans une boîte appelée châssis (flask) : la moitié supérieure est le « cope » (châssis supérieur) et l'inférieure le « drag » (châssis inférieur). La ligne séparant les deux moitiés est la ligne de joint (parting line).

Étapes du moulage en sable

Voici les sept étapes principales du cycle de moulage en sable :

1. Fabrication du modèle (Pattern making) : réalisation d'une réplique de l'objet à mouler en matériau adapté. Le modèle est généralement surdimensionné pour compenser le retrait du métal au refroidissement.
2. Fabrication du moule (Mould making) : formation du moule en sable en tassant le sable autour du modèle. Le moule est en deux moitiés : le « cope » (supérieur) et le « drag » (inférieur). Le retrait du modèle laisse la cavité pour le métal en fusion. Le moule comporte aussi : coulée (sprue), canaux d'écoulement (runners), porte (gate), bassin de coulée (pouring cup), masse de reprise (riser), etc.
3. Fermeture (Clamping) : les deux moitiés cope et drag sont solidement serrées ensemble, prêtes pour la coulée.
4. Coulée (Pouring) : le métal en fusion est maintenu à température constante. Il est versé rapidement pour éviter une solidification prématurée.
5. Refroidissement et solidification (Cooling) : le métal commence à refroidir et se solidifier dans la cavité. La plupart des défauts de moulage en sable apparaissent à cette étape.
6. Démoulage / Secouage (Shakeout) : après le temps de refroidissement, le moule est brisé/séparé pour extraire la pièce.
7. Ébarbage (Trimming) : nettoyage et enlèvement des parties rattachées à la pièce principale (canaux, coulée, etc.)

Avantages et inconvénients du moulage en sable

Pour comprendre un procédé de fabrication, il faut considérer non seulement ses avantages mais surtout ses limites et difficultés potentielles.

Avantages

• Flexibilité de conception – Taille et poids des pièces : de quelques mm/grammes à des mètres/tonnes. Limités seulement par la manutention et l'approvisionnement en métal en fusion. Donc grandes pièces possibles.
• Formes à haute complexité – Aucun autre procédé n'offre la même gamme de possibilités pour façonner des caractéristiques complexes, produisant des pièces proches de la forme nette (near-net-shape).
• Large choix de matériaux – Virtuellement tous les alliages d'ingénierie peuvent être moulés tant qu'ils peuvent être fondus.
• Outillage à faible coût – Coûts d'outillage et d'équipement faibles vs autres procédés métallurgiques. L'une des méthodes les moins chères pour obtenir des pièces near-net-shape.
• Délais courts – Délais plus courts que les autres, idéal pour les petites séries.
• Moins de déchets – La ferraille peut être recyclée.

Inconvénients

• Résistance matière faible – Faible résistance due à la porosité élevée vs pièce usinée.
• Précision dimensionnelle faible – Le retrait et la finition de surface donnent une précision dimensionnelle très médiocre.
• Mauvaise finition de surface – Due à la texture de surface interne du moule en sable.
• Défauts inévitables – Comme tout procédé métallurgique : variations de qualité, retrait, porosité, défauts de coulée, défauts de surface. Porosité plus élevée qu'en moulage sous pression ou moulage à la cire perdue.
• Post-traitement – Usinage secondaire souvent requis si tolérances serrées nécessaires pour l'interface avec pièces d'accouplement. Coût de traitement élevé vs outillage et matière.
• Risque accru – Dangers pour la sécurité humaine et problèmes environnementaux.
• Problèmes de production – Retrait du modèle sur pièces minces et petites est difficile.

Lectures recommandées

• Kalpakjian, S., & Schmid, S. R. (2009). Manufacturing Engineering & Technology (6^e éd.). London: Pearson.