Le moulage au sable (sand casting en anglais) est un procédé de métallurgie qui remonte à plus de 1000 ans avant J.-C. Il consiste à créer une cavité ayant la forme de la pièce que vous souhaitez et y verser du métal en fusion. Le résultat de siècles de développement est que le moulage en sable est la méthode de moulage des métaux la plus polyvalente et probablement la plus utilisée.
Les exigences de conception (y compris les besoins en matière de forme et de dimensions), le coût de la pièce et de l’outillage, la quantité nécessaire et même la faisabilité de la fabrication dictent les procédés de travail des métaux (y compris les procédés de moulage) les plus appropriés lors du choix de la fabrication d’un produit.
Le processus
Production du modèle
Il faut d’abord concevoir un modèle réutilisable avec les mêmes détails que la pièce finie souhaitée. Il y a une marge pour la contraction ou le rétrécissement thermique. Le modèle produit comprend également les chemins métalliques qui alimenteront la conception du produit moulé souhaité avec les portes et les colonnes montantes appropriées. Cela permet de diriger l’inévitable contraction thermique vers des zones acceptables (ailleurs que dans le produit fini souhaité), et de gérer le flux de métal et l’évacuation des gaz nécessaires. Les modèles sont fabriqués dans de nombreux matériaux différents tels que le bois, le métal, les matières synthétiques, le polystyrène expansible (EPS) et d’autres, en fonction du volume et de la tolérance nécessaires.
Création du moule
Un matériau réfractaire stable à haute température (du sable, dans notre exemple) est formé autour du modèle. Le matériau doit être suffisamment solide pour supporter le poids du métal fondu pendant la coulée et résister à la réaction avec le métal, mais suffisamment fragile pour se détacher facilement du métal solidifié après le refroidissement de la coulée. Il existe une variété de matériaux de sable qui peuvent être utilisés pour fabriquer le moule.
Le sable comprend généralement d’autres matériaux comme de l’argile ou un agent de liaison chimique pour le renforcer afin qu’il résiste au processus de coulée. Le moule peut également être créé en usinant la cavité de la forme souhaitée directement dans un bloc de sable. Cette technique est largement utilisée pendant le développement d’un produit, car les modifications de conception peuvent être gérées et mises en œuvre rapidement, ou pour les pièces peu utilisées, afin d’éviter le stockage ou la maintenance d’un modèle physique.
Le moule est généralement produit en deux parties, la moitié supérieure ou « chape » et la moitié inférieure ou « traînée ». Une fois que le sable a durci (selon le procédé traditionnel/non usiné), les moitiés sont séparées et le modèle est retiré. Un revêtement réfractaire est ajouté pour obtenir une meilleure finition de surface et protéger le moule des turbulences du métal coulé. Les moitiés sont remises ensemble, laissant une cavité ayant la forme du modèle. Le moule peut également comporter des noyaux, une méthode utilisée pour produire les passages internes souhaités dans le produit final.
Le versement du métal en fusion
Le métal en fusion est versé directement dans le moule statique. Il remplit la cavité qui définit à la fois la pièce finie et les colonnes montantes. Les colonnes montantes alimentent le moule avec une réserve de métal liquide. Comme ils sont conçus pour refroidir et se solidifier en dernier, la rétraction, et le vide potentiel, sont concentrés dans l’élévateur plutôt que dans la pièce souhaitée. Il existe plusieurs variantes de la « coulée à bascule ». Il s’agit d’un procédé conçu pour permettre au métal de s’écouler plus facilement dans le moule, en éliminant les turbulences. Une turbulence moindre peut aider à prévenir la création d’oxydes et de défauts de coulée. Pratiquement tous les alliages peuvent être produits à l’aide de ce procédé. Pour les matériaux particulièrement réactifs à l’oxygène, une procédure telle que le blindage à l’argon peut être utilisée pour éloigner l’air du métal en fusion.
Sortir du moule et finition
La pièce moulée, comprenant à la fois la partie souhaitée et le métal supplémentaire nécessaire à sa création, se solidifie et refroidit. Le sable est cassé lors d’un processus de secouage. Une grande partie du sable utilisé pour créer le moule est récupérée, reconditionnée et réutilisée.
Les portes, les glissières et les contremarches sont découpées dans la pièce moulée et, si nécessaire, un sablage final, un meulage, etc. sont effectués pour terminer la pièce moulée sur le plan dimensionnel. Les pièces moulées en sable nécessitent souvent au moins un usinage supplémentaire pour atteindre les dimensions ou les tolérances finales.
Les pièces peuvent subir un traitement thermique pour améliorer la stabilité dimensionnelle ou les propriétés. Des essais non destructifs peuvent également être réalisés. Il peut s’agir de contrôles par ressuage, par magnétoscopie, par radiographie ou autres. Les contrôles dimensionnels finaux, les résultats des tests d’alliage et les contrôles non destructifs sont vérifiés avant l’expédition.
Les composants du moulage au sable
Patrons
À partir du dessin fourni par un concepteur, un modéliste qualifié construit un modèle de l’objet à produire, en utilisant du bois, du métal ou un plastique tel que le polystyrène expansé. Le sable peut être broyé, balayé ou mis en forme. Le métal à couler se contractera pendant la solidification, et cette contraction peut être non uniforme en raison d’un refroidissement inégal. Par conséquent, le modèle doit être légèrement plus grand que le produit fini, une différence connue sous le nom de marge de contraction.
Boîte de moulage et matériaux
Une boîte de moulage en plusieurs parties (appelée moufle de coulée, dont les moitiés supérieure et inférieure sont respectivement appelées chape et traînée) est préparée pour recevoir le modèle. Les boîtes de moulage sont fabriquées en segments qui peuvent être verrouillés les uns aux autres et à des fermetures d’extrémité. Pour un objet simple, plat sur un côté, la partie inférieure de la boîte, fermée au fond, sera remplie d’un sable de moulage.
Refroidisseurs
Pour contrôler la structure de solidification du métal, il est possible de placer des plaques métalliques, les refroidisseurs, dans le moule. Le refroidissement local rapide associé formera une structure à grain plus fin et pourra former un métal un peu plus dur à ces endroits. Dans les moulages ferreux, l’effet est similaire à celui de la trempe des métaux en forge.
Les noyaux
Les noyaux sont des appareils utilisés pour générer des cavités creuses ou des caractéristiques internes qui ne peuvent pas être formées en utilisant uniquement le modèle dans le moulage. Les noyaux sont généralement fabriqués en utilisant du sable, mais certains procédés utilisent également des noyaux permanents en métal[4].
Pour produire des cavités à l’intérieur de la pièce moulée – comme pour le refroidissement liquide des blocs moteurs et des culasses – des formes négatives sont utilisées pour produire des noyaux. Habituellement moulés en sable, les noyaux sont insérés dans la boîte de coulée après le retrait du modèle. Dans la mesure du possible, les conceptions sont réalisées de manière à éviter l’utilisation de noyaux, en raison du temps de préparation supplémentaire, de la masse et donc du coût plus élevé.
Les différentes technologies de moulage au sable
Sable vert
Ces moulages sont réalisés à l’aide de moules en sable formés à partir de sable « humide » qui contient de l’eau et des composés organiques liants, généralement appelés argile[5]. Le nom « sable vert » vient du fait que le moule en sable n’est pas « pris », il est encore à l’état « vert » ou non durci même lorsque le métal est coulé dans le moule. Le sable vert n’est pas de couleur verte, mais « vert » dans le sens où il est utilisé à l’état humide (comme le bois vert).
Méthode « air set »
La méthode « air set » utilise du sable sec lié à des matériaux autres que l’argile, à l’aide d’un adhésif à durcissement rapide. Cette dernière méthode peut également être appelée « moulage sans cuisson ». Lorsque ces méthodes sont utilisées, elles sont collectivement appelées moulages en sable « air set » pour les distinguer des moulages en « sable vert ». Il existe deux types de sable de moulage : le sable naturel lié (sable de rive) et le sable synthétique (sable de lac) ; ce dernier est généralement préféré en raison de sa composition plus cohérente.
Dans les deux méthodes, le mélange de sable est tassé autour d’un modèle, formant ainsi une cavité de moule. Si nécessaire, un bouchon temporaire est placé dans le sable et touche le modèle afin de former ultérieurement un canal dans lequel le liquide de coulée peut être versé. Les moules à air comprimé sont souvent formés à l’aide d’un flacon de coulée comportant une partie supérieure et une partie inférieure, appelées chape et traînée. Le mélange de sable est tassé au fur et à mesure qu’il est ajouté autour du modèle, et l’assemblage final du moule est parfois vibré pour compacter le sable et remplir tout vide indésirable dans le moule. Le modèle est ensuite retiré avec le bouchon du canal, laissant la cavité du moule. Le liquide de coulée (généralement du métal en fusion) est alors versé dans la cavité du moule. Une fois le métal solidifié et refroidi, la pièce coulée est séparée du moule en sable. Il n’y a généralement pas d’agent de démoulage, et le moule est généralement détruit lors du processus de démoulage.
Boîte froide
La boîte froide utilise des liants organiques et inorganiques qui renforcent le moule en adhérant chimiquement au sable. Ce type de moule doit son nom au fait qu’il n’est pas cuit dans un four comme les autres types de moules en sable. Ce type de moule présente des dimensions plus précises que les moules en sable vert, mais il est plus coûteux. Il n’est donc utilisé que dans les applications qui le nécessitent.
Moules sans cuisson
Les moules sans cuisson sont des moules en sable jetables, semblables aux moules en sable classiques, sauf qu’ils contiennent également une résine liquide à prise rapide et un catalyseur. Plutôt que d’être damé, le sable de moulage est versé dans le moule et maintenu jusqu’à ce que la résine se solidifie, ce qui se produit à température ambiante. Ce type de moulage produit également une meilleure finition de surface que les autres types de moules en sable[9], car il n’y a pas de chaleur. Les matériaux courants utilisés pour les moules sont le bois, le métal et le plastique. Les métaux courants coulés dans des moules sans cuisson sont le laiton, le fer (ferreux) et les alliages d’aluminium.
Moulage sous vide
Le moulage sous vide (procédé V) est une variante du procédé de moulage en sable pour la plupart des métaux ferreux et non ferreux, dans lequel le sable non lié est maintenu dans le moule par un vide. Le modèle est spécialement ventilé de manière à ce qu’un vide puisse être tiré à travers lui. Une fine feuille de film plastique ramollie par la chaleur est drapée sur le modèle et un vide est tiré. Un moule de formage sous vide spécial est placé sur le modèle en plastique et est rempli d’un sable à écoulement libre. Le sable est vibré pour le compacter et une carotte et un godet de coulée sont formés dans la chape. Une autre feuille de plastique est placée au-dessus du sable dans le moufle et un vide est créé dans le moufle spécial, ce qui durcit et renforce le sable non lié. Le vide est ensuite relâché sur le modèle et la chape est retirée. La traînée est fabriquée de la même manière (sans la carotte et le godet). Les noyaux éventuels sont mis en place et le moule est fermé. Le métal en fusion est coulé alors que la chape et le dragueur sont encore sous vide, car le plastique se vaporise mais le vide maintient la forme du sable pendant que le métal se solidifie. Lorsque le métal s’est solidifié, le vide est coupé et le sable s’écoule librement, libérant la pièce coulée.