LeMoulageàlaCirePerdue

1‐Procédé Ce procédé de moulage, s’applique à tous les types de pièces mécaniques, des petites aux grandes dimensions, de quelques grammes à des pièces allant jusqu’à 25 Kg, de formes simples à des formes compliquées y compris des formes en contre dépouille, de tolérances larges (JS 12) à des tolérances plus réduites et des états de surfaces Ra de 2 à 3 µ. Ces

caractéristiques techniques (dimensions, état de surface) sont plus précises aux autres procédés de fonderie. (Ex: moulage au sable) Ce procédé s’applique tout particulièrement à la fonderie des matériaux à haut point de fusion impossible dans des moules métalliques. Cette fonderie à haut point de fusion nécessite un moule en matériau réfractaire (céramique). Avec ce procédé, on moule des pièces en cire que l’on assemble entre elles, ce qui permet d’obtenir des pièces monoblocs qui ne seraient pas moulables autrement. (Par exemple des ailettes en cire sont assemblées pour former une turbine).

2‐Domained’application. La fonderie en cire perdue ou à modèle non permanent est issue des métiers d’art.(duplication de sculptures en bronze) Ce procédé est utilisé dans de nombreux domaines notamment celui des prothésistes dentaires ou articulaires (couronne, appareil dentaire, genou, hanche, etc.).

3‐Méthodedefabrication.Ce procédé de fabrication se décompose comme suit:

1- Obtention d’un modèle non permanent ; 2- Assemblage. (Création d’une grappe) ; 3- Fabrication du moule réfractaire (enrobage céramique) ; 4- Évacuation de la cire ; 5- Cuisson du moule réfractaire ; 6- Coulée du métal dans le moule ; 7- Destruction du moule ; 8- Dégrapage des pièces ; 9- Contrôle des pièces.

Étudions chacune de ces phases.

Mise à jour : 18/05/2009

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3‐1Obtentiond’unmodèlenonpermanent. Le modèle non permanent, en cire ou en résine, est une image de la pièce souhaitée en métal. Elle doit donc répondre aux exigences demandées par les techniques de fonderie

pour un remplissage et un refroidissement correct de la pièce (ex: rayons de raccordements importants). Le modèle représente le volume utilisé par le métal à l'état liquide. Lors du refroidissement de ce métal, la pièce métallique va se rétracter et donc perdre du volume. La pièce métallique sera donc "plus petite" que le modèle cire. C'est pourquoi, le modèle non permanent a toujours des dimensions supérieures à la pièce à réaliser, en intégrant les retraits successifs (de la cire, et du matériaux coulée).

3‐1‐1Méthodederéalisationdemodèlesnonpermanents: Il existe plusieurs méthodes pour réaliser des pièces en cire ou en résine. Selon le nombre ou la complexité des pièces.

Injection cire « moule métallique »

Prototypage Rapide « Impression 3D-cire »

« stéréo lithographie-résine »

Injection cire « moule en caoutchouc

vulcanisé»Ce procédé consiste à injecter de la cire dans un moule. Les moules ont les mêmes fonctions que pour l'injection plastique:

• Point d'injection • Tiroirs • Broches • Ejecteurs • Système de

refroidissement

Ce Système impose la réalisation de moules complexes afin d'injecter des modèles justement dédiés au procédé cire perdue (carapace détruite après la coulée).

Pour faciliter le démoulage, un spray à base de silicone est pulvérisé dans le moule. Lorsque le moule est réalisé, il est alors possible d'injecter plusieurs milliers de pièces, avec un cycle de fabrication de quelques secondes.

Procédés dits "par ajout de matière", ils consistent à réaliser les modèles non permanents par additions successives de couches.

Dans le cas de l'imprimante 3D (vidéo ci-dessous), de la cire est déposée, tandis qu'en stéréo lithographie, c'est de la résine qui est polymérisée.

Directement reliées au poste de C.A.O., les machines réalisent les pièces sans rupture de la chaîne numérique. Ces procédés sont dédiés à des petites voir moyennes séries de pièces complexes.

La réalisation d'une pièce est fonction de son volume et de sa taille, et peut durer de une à plusieurs heures.

Ce procédé permet la duplication de pièces en réalisant un moule en caoutchouc vulcanisé. Une pièce modèle (ex: pièce réalisée par imprimante 3D) est emprisonnée dans un volume de caoutchouc liquide. Lorsqu'il est polymérisé, le volume est découpé suivant le ou les plans de joint de la pièce afin de l'extraire. Les empreintes obtenues permettent alors de couler de la cire ou de la résine et d'obtenir une copie de la pièce modèle.

Moins résistants que les moules aciers, les moules caoutchouc sont destinés à des petites séries de 10-20 pièces mais avec des formes en contre dépouille possible.

videos\injeccir.WMV videos\imprim3d.WMV videos\surmoulsil.WMV

Mise à jour : 18/05/2009

L’injection de la cire dans un moule caoutchouc vulcanisé s’effectue sous pression et à une température de la cire (50° à 70°C) avec un maintien de 30 s à 2 minutes pour une solidification complète du modèle.

3‐2Assemblagedesmodèlesnonpermanents. Suite à l'obtention de modèles non permanents, un arbre en cire est réalisé. Cette opération consiste à coller les pièces en cire sur des barreaux également en cire. Cet assemblage représente le volume à remplir avec le métal liquide. Il doit donc comporter:

• Un entonnoir (ou godet) de coulé permettant d'avoir une large ouverture pour l'arrivée du métal liquide

• Un système d'alimentation permettant un remplissage correct des pièces • Attaques de coulée adaptées à la pièce (attaques dans les parties massives...), pour obtenir un

refroidissement correct de la pièce

La réalisation des pièces et des arbres en cire peut nécessiter un dégraissage de la pièce.

L’assemblage des modèles s’effectue avec un couteau chauffant, chacune des pièces est ainsi “soudées” à un arbre central constituant la poche de coulée (entonnoir). Pour des pièces plus volumineuses des jets de coulées sont éventuellement rajoutés. Chaque grappe complète formera un moule.

Création du support de pièce

« entonnoir-canaux » Collage des pièces Dégraissage

En moule métallique Le support de pièces permet de réaliser l'arbre de coulée après collage des modèles. Ses caractéristiques sont peu importantes, d'ou l'utilisation de cire recyclée. Sa réalisation est obtenue par injection (procédé identique à l'obtention des pièces modèles). Un entonnoir de coulée est ensuite soudé à cet arbre.

Les modèles non permanents sont fixés sur les arbres en cire par collage. Leur position et leur orientation doivent permettre :

• un enrobage facile de l'ensemble des pièces (détails accessibles)

• la bonne évacuation de la cire (entonnoir vers le bas)

• une alimentation correcte du métal lors de la coulée.

L'arbre doit parfois être dégraissé en fonction des agents de démoulage utilisés pour l'injection du modèle et du support de pièces.

Ce dégraissage permettra une bonne fixation de la première couche de céramique lors de l'enrobage.

Entonnoir Entonnoir

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videos\creatsup.WMV videos\colpiece.WMV videos\degrais.WMV

3‐3Fabricationdumouleréfractaire(enrobagecéramique).La grappe est soit: Moule en masse : Plongée dans un enduit réfractaire (plâtre) et reste complètement immergée jusqu’à solidification complète du moule. Moule carapace :Trempée puis saupoudrée de silice à grains très fins, ceci à plusieurs reprises jusqu’à obtention d’une couche réfractaire suffisante de 7 à 10 mm d’épaisseur. Afin de limiter le retrait sur le

matériau du moule des grains très fins de chamotte sont ajoutés. (La chamotte sont des grains de céramique déjà cuits qui ont déjà subit ce retrait lors d’une cuisson, mais qui ne pourraient suffire à eux seuls car il n’y aurait plus de liant.)

Trempage Saupoudrage Séchage La première opération de l'enrobage est souvent manuelle. Elle consiste à déposer la première couche de céramique.

L'arbre en cire est plongé dans un bain que l'on appelle barbotine, puis est saupoudré de fines particules de sable réfractaire. C'est cette première couche, en contact avec la pièce cire qui permettra une bonne réplique des détails et un bon état de surface.

Le dépôt des autres couches (5 à 7) est lui automatisé. L'opération est similaire à l'enrobage manuel, mais les particules de sable réfractaire sont ici beaucoup plus grosses. En effet, seule la première couche est en contact avec la pièce cire, et c'est donc elle seule qui doit enrober fidèlement la pièce. Les autres couches doivent apporter de la rigidité à la carapace afin de résister à la pression du métal en fusion lors de la coulée

Suite à l'enrobage, une période de séchage est nécessaire pour que la céramique commence à se solidifier. Cette solidification sera achevée par une cuisson avant la coulée.

La première période de séchage varie de 1 à 3 jours selon la taille et la forme de la pièce.

videos\enrobman.WMV videos\enrobaut.WMV videos\sechage.WMV

3‐4Évacuationdelacire. En fin d’évacuation de la cire, nous obtiendrons donc un moule creux ayant la forme de l'arbre en cire en négatif.

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Moule en masse : Le moule est toujours placé à l’envers dans le four. C’est pendant la phase de préchauffage que la cire sera fondue et brûlée.

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Moule carapace :Des précautions sont nécessaires pour éviter un éclatement de la carapace céramique.

Evacuation de la cire en autoclave

Etuvage Recyclage de la cire

L’évacuation de la cire consiste à chauffer la carapace au dessus du point de fusion de la cire (température de chauffe environ 150°C). Liquide, la cire va s'écouler par l'entonnoir d'alimentation.

Lors de la fusion de la cire, celle-ci va se dilater et exercer une force sur les parois internes de la carapace qui risque alors de se fissurer. L'utilisation d'un autoclave (enceinte sous pression à environ 6bars) permet d'exercer une force opposée à la dilatation de la cire. Pour limiter les risques d'éclatement, des perçages peuvent également être effectués.

L'autoclave utilise dans son fonctionnement de la vapeur d'eau. A leur sortie, les carapaces sont imprégnées d'eau qu'il faut alors retirer.

La mise en étuve (environ 3 heures) permet de sécher complètement la céramique. La carapace sera alors perméable à l'air. Cette propriété est primordiale pour l'évacuation des vapeurs de cire lors de la cuisson de la céramique, et permet de limiter le pourcentage de cendre à l'intérieur de la carapace avant la coulée.

La cire issue des carapaces ne peut pas être utilisée pour la réalisation de modèle. En effet les caractéristiques de retrait et d'injection de la cire doivent être parfaitement connus, d'où l'utilisation de cire neuve ayant toujours les mêmes propriétés.

En revanche, cette cire peut être utilisée pour la réalisation des arbres "porte modèles".

La première opération retire l'eau mélangée à la cire liquide. Chauffée à une température supérieure à 100°C, l'eau est évacuée de la cire sous forme de vapeur.

videos\deautocl.WMV videos\misetuve.WMV videos\recyclci.WMV 3‐5Cuissondumouleréfractaire. Moule en Masse :Quand la cire a été éliminée du moule. Le moule est portée à haute température (750° à 1200°C) afin de cuire le matériau réfractaire, pour les moules massifs durant 12 à 16 h de cuisson selon la masse du moule.

Moule carapace : Avant l'opération de coulée métallique, il est nécessaire de cuire la carapace céramique.

Cette opération a trois objectifs :

• Eliminer les résidus de cire de la carapace par combustion ; • Cuisson de la céramique (durcissement) ; • Mise de la carapace à une température proche de celle du

métal en fusion à couler, afin d'éviter des chocs thermiques. Un choc thermique crée de brusques changements de

température et peu provoquer l'éclatement de la carapace durant la coulée. videos\cuisson.WMV

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3‐6Couléemétallique.

Moule en Masse : Alors que le moule est encore entre 700° et 800°C, il est placé coté ouverture du moule contre le four de fusion de métal avec un joint d’amiante interposé pour assurer l’étanchéité. Pour un remplissage du moule correct, le métal est injecté dans le moule sous basse pression. Pour des moules de faible volume c’est souvent par effet centrifuge que le métal est introduit dans le moule, ou avec une machine de coulée métallique.

Moule Carapace : Diverses méthodes existent pour réaliser cette opération:

• Par renversement (présenté sur la vidéo): le moule est lié au creuset contenant le laitier (métal fondu), l'ensemble est alors renversé de 180°. Le métal fondu tombe très rapidement dans la carapace. Ce procédé est très utilisé pour la réalisation de pièces complexes et fines, où des problèmes liés au refroidissement du métal peuvent intervenir (non remplissage des empreintes par exemple) ;

• Par versement (ou à la louche): la carapace est fixe. Le creuset contenant le laitier est alors basculé pour verser le métal dans la carapace vide. Ce procédé est utilisé pour de grands volumes de matière à couler.

Tous les matériaux peuvent être coulés : des aciers ordinaires, spéciaux et inoxydables, des alliages réfractaires de nickel, de chrome de cobalt, des alliages de cuivre et d’aluminium ainsi que les bronzes. Tous ces matériaux doivent être coulée avec précaution. 3‐7Destructiondumoule. La coulée terminée, le moule est détruit, pour les moules à carapaces cette opération s’appelle le “Décochage”. Diverses méthodes peuvent être utilisées :

• Décochage par vibrations : Le décochage par vibrations (présenté sur la vidéo ci-dessus) est le plus utilisé, du fait de sa grande rapidité de mise en œuvre. Mais il est surtout dédié aux pièces peu fragiles ;

• Décochage par jet d'eau :

Le décochage par jet d'eau est plutôt dédié au décochage de pièces fragiles (pièces fines, en aluminium...).

3‐8Dégrapagedespièces. Une fois la grappe nettoyée de tous les résidus de moule réfractaire, par sablage, grenaillage ou micro- billage. Les pièces sont séparées de la tige centrale pour être contrôlées.

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3‐9Contrôle. Le contrôle effectué sur les pièces de moulage est un contrôle dimensionnel, mais aussi un contrôle sous rayon “X” afin de vérifier la non présence de crique dans la masse de la pièce.