Dans le moulage de précision ou « moulage à cire perdue » (Investment casting en anglais), un modèle en cire ou en polymère approprié est enduit par immersion dans la boue de matériau réfractaire. Une fois que le revêtement de matériau réfractaire est durci, le processus de trempage est répété plusieurs fois pour augmenter l’épaisseur du revêtement et sa résistance. Une fois le revêtement final durci, la cire est fondue et le métal fondu est versé dans la cavité créée par le motif en cire. Une fois que le métal s’est solidifié dans le moule, la coulée de métal est retirée en cassant le moule réfractaire.
Les pièces typiques sont les rotors de turbine, les engrenages, les boîtiers électroniques, les vannes, les bijoux et les accessoires dentaires. Des pièces d’un diamètre allant jusqu’à 1,5 m et pesant jusqu’à 1 140 kg ont été coulées avec succès par le passé grâce à ce procédé, bien que la pièce type ait en moyenne une taille inférieure à 100 mm et pèse moins de 500 g.
Histoire
Bien que le moulage à la cire perdue ait été utilisé sous diverses formes depuis sa première utilisation par les anciens Égyptiens entre 4000 et 3000 avant J.-C., ce n’est qu’après la Seconde Guerre mondiale que son importance industrielle et sa popularité ont augmenté en raison de la demande croissante de pièces dans le secteur des moteurs d’avion et des cellules.
Le moulage à la cire perdue a évolué depuis l’époque où l’argile était tassée autour du modèle en cire d’abeille jusqu’à l’utilisation de coquilles en céramique et l’introduction de fours spéciaux de déparaffinage, etc.
Le coût élevé de fabrication des moules maîtres a traditionnellement limité le moulage à la cire perdue à de grandes quantités de production, mais l’introduction de la fabrication additive ou de l’impression en 3D des modèles en cire ces dernières années a éliminé le coût de fabrication des moules et permis l’utilisation pour des séries plus courtes.
Comment fonctionne le moulage à la cire perdue ?
Depuis des milliers d’années, le moulage à la cire perdue permet de créer avec succès des produits de forme quasi nette sous diverses formes. Bien que l’introduction de nouveaux matériaux et de nouvelles techniques de fabrication au cours des dernières années ait entraîné des changements et des améliorations, les étapes du processus de moulage à la cire perdue sont restées largement inchangées.
En général, la fonderie de précision, parfois appelée fonderie à la cire perdue, peut être résumée en 8 étapes.
Étape 1 – Création du modèle maître
Un modèle maître est créé à partir de cire, d’argile, de bois, d’acier ou de plastique par un mouliste ou un sculpteur spécialisé, en fonction des exigences du produit final. Ces modèles sont créés en tenant compte du retrait de la cire et du matériau de moulage, d’où leur nom de « modèle maître », car ils ont une double marge de retrait. La figure 3 ci-dessous montre un modèle maître en bois et son moulage.
Étape 2 – Matrice maîtresse / Moule / Moulage
Un moule, connu sous le nom de matrice principale pour créer des modèles en cire, est fabriqué pour s’adapter au modèle principal, soit par moulage, soit par usinage. Les progrès technologiques dans le domaine de l’outillage et de l’usinage CNC ont permis d’usiner un moule maître dans un matériau tel que l’acier et l’aluminium sans avoir besoin d’un modèle maître.
Si le modèle maître est en acier, le moule maître peut être coulé directement à partir du modèle maître en acier en utilisant un métal dont le point de fusion est inférieur à celui de l’acier. Les moules en caoutchouc de silicone sont également très utilisés de nos jours en raison de leur simplicité d’utilisation pour couler un moule directement à partir d’un modèle maître.
Étape 3 – Le modèle
Les modèles sont ensuite réalisés en injectant ou en versant de la cire fondue dans le moule principal et en la laissant durcir (figure 6). Parfois, la cire est également utilisée comme revêtement : les parois intérieures de la cavité de la matrice sont recouvertes de cire pour obtenir un modèle creux. Cet enrobage est répété jusqu’à ce que l’épaisseur souhaitée du modèle soit atteinte, généralement environ 3 mm (0,12 in). Ce procédé ne convient que pour les pièces simples. Parfois, des modèles sont également réalisés en utilisant des polymères appropriés et du mercure congelé.
Les progrès récents en matière de prototypage rapide ont rendu possible la production de modèles directement à partir d’un fichier CAO, soit sous forme de modèle maître, soit sous forme de modèles en cire, ce qui en réduit le coût. Les technologies d’impression 3D telles que la stéréolithographie, le frittage laser sélectif (SLS), la modélisation par dépôt de matière fondue (FDM) et le polyjet sont de plus en plus utilisées pour créer des modèles. Ces technologies de prototypage rapide utilisent une technique de stratification dans leur création, de sorte qu’un post-traitement est nécessaire dans la plupart des cas pour garantir un bon état de surface.
Étape 4 – Assemblage des modèles
Les modèles en cire sont ensuite assemblés sur une carotte de cire commune. La carotte est un canal par lequel l’alliage fondu peut atteindre le moule dans un anneau de placement après l’élimination de la cire.
Step 5 – Dipping Coating
The model is then dipped into a slurry of finely ground refractory material and drained to create a uniform surface coating called a « primer ». During this step, very fine particles are deposited to create a thin but very smooth layer of coating material to ensure a smooth surface and intricately detailed final product. Very fine silica and other binders, including water, ethyl silicate and acids, are commonly used as refractory materials.
Figure 8. Refractory lining of the investment casting
After the initial coating has dried, the pattern is quenched and coated several times to increase its thickness for greater strength. This second step in the dipping process is called « stuccoing »: sand or other refractory aggregate is sprayed onto the wet surface to increase its thickness (5 to 15 mm [0.2 to 0.6 in]) and strength.
Étape 6 – Décirage et cuisson
Une fois que le moule en matériau réfractaire a complètement séché et durci, il est retourné et placé dans un four ou un autoclave de déparaffinage spécialisé, où la cire peut fondre et s’écouler, et où tout résidu ultérieur est vaporisé. (Ces simulations montrent comment fonctionnent les machines spécialisées dans le déparaffinage)
L’élimination de la cire du moule est une étape importante du processus de moulage à la cire perdue et, si elle n’est pas effectuée correctement, elle réduit le rendement du lot. Le déparaffinage est également l’une des principales causes de fissuration de la coquille. La fissuration de la coquille est le défaut le plus courant du moulage de précision.
Il existe deux méthodes principales pour le déparaffinage, le feu à inflammation instantanée ou l’autoclave (vapeur). Les autoclaves à vapeur sont le choix préféré en raison de leur chauffage uniforme qui réduit la contrainte sur le matériau.
Étape 7 – Préchauffage et coulée
Le moule est ensuite préchauffé en vue de la coulée. Le préchauffage permet au métal de rester plus longtemps à l’état fondu afin qu’il puisse mieux remplir tous les détails du moule et augmenter la précision dimensionnelle. Si l’on laisse le moule refroidir, les éventuelles fissures constatées peuvent être réparées à l’aide d’un coulis de céramique ou d’un ciment spécial. Le chauffage du moule permet également un meilleur contrôle dimensionnel car le moule et le métal peuvent se rétracter ensemble pendant le refroidissement.
Le métal fondu, dont la température peut atteindre 3 000 °C, est versé dans le moule creux, puis laissé à refroidir. Si la coulée par gravité est la plus simple, d’autres méthodes peuvent être utilisées pour assurer le remplissage complet du moule. Lorsqu’il s’agit de sections fines et complexes, le remplissage du moule peut être assisté par une pression d’air positive, une coulée à bascule, une coulée sous vide ou un procédé de coulée centrifuge.
Étape 8 – Découpage et post-traitement
Après la solidification du métal, des techniques telles que l’écaillage mécanique, le martelage, la vibration, le jet d’eau à haute pression et le sablage sont utilisées pour briser le moule et retirer la pièce coulée en métal.
Les pièces moulées individuelles sont ensuite découpées et l’excédent de métal est enlevé. La carotte est découpée et, dans la plupart des cas, réutilisée. La pièce est ensuite post-traitée en fonction des exigences du produit final : post-usinage, traitement thermique, traitements de surface, peinture, etc.