La conception des moules constitue la base de la fonderie. La fonderie est un procédé qui consiste à couler du métal en fusion dans la cavité d’un moule, puis à le laisser refroidir et se solidifier afin d’obtenir la pièce souhaitée. Un plan de conception des moules bien pensé permet de réduire efficacement les risques liés à la production d’essai et constitue un facteur clé pour assurer le bon déroulement d’un projet, du prototypage à la production en série.
MinHe est l'un des principaux fabricants de produits métalliques en Chine, spécialisé dans les pièces métalliques sur mesure. La fonderie de MinHe utilise principalement trois procédés de moulage : le moulage à basse pression, le moulage par gravité et le moulage au sable. Ses produits couvrent une large gamme de matériaux, notamment l'aluminium, le fer, l'acier et le cuivre. Les différents matériaux et procédés de moulage nécessitant des conceptions d'outillage spécifiques, MinHe évalue chaque projet de moule en fonction des plans, du volume de production et des normes de qualité afin de déterminer s'il est adapté au moulage d'essai, à l'usinage et à la production en série.
Qu'est-ce qu'un moule de coulée ?
Un moule de fonderie est un outil servant à contenir le métal en fusion et à donner sa forme à la pièce moulée au cours du processus de moulage. Une fois que le métal en fusion pénètre dans la cavité du moule, il remplit l'espace délimité par celui-ci, puis refroidit et se solidifie.
Le terme « moule de fonderie » désigne généralement le corps du moule qui donne directement forme à la pièce moulée. Le terme « outillage de fonderie » a quant à lui une acception plus large. Outre le moule proprement dit, il peut également inclure les modèles, les boîtes à noyaux, les canaux d'alimentation, les masselottes, les systèmes de dégazage, de refroidissement, de positionnement et d'éjection.
Les moules de fonderie peuvent prendre différentes formes, telles que les moules jetables, les moules permanents, les moules en sable, les moules métalliques, les moules monoblocs et les moules en plusieurs parties. Le choix du type de moule dépend généralement du procédé de moulage, de la structure de la pièce et du volume de production.
Types d'outillage de moulage selon les différents procédés de moulage
Les différents procédés de moulage font appel à divers types de moules et d'outillages, en fonction du matériau du moule, de la structure de la pièce et du volume de production.
Moulage au sable
Le moulage au sable fait généralement appel à des modèles, des caisses à noyaux et des moules en sable pour réaliser la pièce moulée. Il convient aux pièces de grande taille, à la production en petites séries ou aux pièces moulées présentant des cavités internes complexes.
Les outils de moulage courants comprennent :
- Modèle : il détermine la forme de la pièce moulée à l'intérieur du moule en sable et sert de base à la fabrication des outils de moulage au sable.
- Châssis de moulage : permet la fabrication de noyaux en sable et influe sur les cavités internes, les canaux et la stabilité de l'épaisseur des parois.
- Plaque de gabarit : maintient le gabarit en place et améliore l'efficacité et la répétabilité du moulage.
- Moule en sable : il contient le métal en fusion et détermine la forme de la pièce moulée, influençant ainsi l'état de surface et la stabilité dimensionnelle.
- Système de coulée et de masselottes : il permet de contrôler l'écoulement et l'alimentation en métal, ce qui a une incidence sur le retrait, les défauts de soudure à froid et le remplissage complet.
Moulage à la cire perdue
Le moulage de précision commence généralement par la réalisation de modèles en cire à l'aide d'un moule d'injection de cire, puis se poursuit par la construction de la coque, le déparaffinage et la coulée.
Les outils de moulage courants comprennent :
- Moule d'injection de cire : il détermine la consistance du modèle en cire et joue un rôle essentiel dans la stabilité de la production en série.
- Modèle en cire : il reproduit la géométrie finale de la pièce moulée et influe sur les détails de la forme ainsi que sur la précision dimensionnelle.
- Assemblage des modèles en cire : consiste à disposer plusieurs modèles en cire et le système d'alimentation, ce qui influe sur la configuration de la coulée et le nettoyage ultérieur.
- Système de distribution : il contrôle le trajet du métal en fusion qui pénètre dans la coque et intervient dans le remplissage et le contrôle des défauts.
- Outillage d'aide à la fabrication des coques : facilite le positionnement des modèles en cire et assure la stabilité des coques, ce qui réduit les variations d'un lot à l'autre.
Coulée par gravité
Le moulage par gravité fait généralement appel à des moules métalliques et est souvent utilisé pour la fabrication de pièces en alliage d'aluminium en séries moyennes et faibles, telles que des supports, des capots d'extrémité, des boîtiers, des plaques de recouvrement et des brides.
Les outils de moulage courants comprennent :
- Moule métallique : il permet un formage reproductible et influe sur la stabilité dimensionnelle et la qualité de surface.
- Cavité du moule : elle détermine la forme, le profil et les dimensions principales de la pièce moulée.
- Noyau métallique ou noyau de sable : permet de former des trous internes, des cavités ou des structures locales complexes.
- Structure de purge : permet d'évacuer l'air et les gaz de la cavité, réduisant ainsi le risque de porosité due aux gaz et de remplissage incomplet.
- Structure d'éjection : elle influe sur la stabilité lors du démoulage ; une conception inadéquate peut entraîner des déformations ou laisser des marques d'éjecteur.
Coulée à basse pression
Le moulage à basse pression utilise généralement un moule métallique et consiste à injecter le métal en fusion dans la cavité par le bas, sous une basse pression contrôlée. Ce type de procédé met davantage l'accent sur la stabilité du remplissage, de l'alimentation, de l'évacuation des gaz et du contrôle de la température du moule.
Les outils de moulage courants comprennent :
- Moule métallique : il détermine la forme de la pièce moulée et sa structure principale, et influe sur l'uniformité du lot.
- Interface du tube de remontée : relie le circuit d'alimentation en métal en fusion à l'entrée du moule et influe sur la stabilité du remplissage.
- Conception de la buse : elle détermine l'endroit où le métal en fusion pénètre dans la cavité et la manière dont il s'écoule.
- Système de purge : réduit le risque d'emprisonnement d'air et de porosité due aux gaz, en particulier pour les pièces étanches.
- Canaux de refroidissement : permettent de contrôler la séquence de solidification et les points chauds, qui influent sur le retrait, la déformation et la durée de vie du moule.
- Structure d'éjection : facilite le démoulage en douceur et réduit les déformations ou les dommages localisés.
Moulage sous pression
Le moulage sous haute pression fait appel à un moule complexe et convient à la fabrication de pièces en grande série, à parois minces et de forme complexe.
Les outils de moulage courants comprennent :
- Matrice fixe et matrice mobile : elles constituent la structure principale du moule et déterminent le mode d'ouverture du moule ainsi que la position de la ligne de joint.
- Moule : il détermine la forme de la pièce moulée, ses dimensions principales et ses détails locaux.
- Glissières : trous latéraux, contre-dépouilles ou éléments externes complexes.
- Goupilles d'éjection : elles poussent la pièce moulée hors du moule ; leur emplacement influe sur l'aspect de la pièce et le risque de déformation.
- Système de canaux et de vannes : permet de contrôler la direction du flux de métal, sa vitesse et son parcours de remplissage.
- Fentes de trop-plein et d'aération : elles permettent d'évacuer l'air et de recueillir le métal froid à l'avant du front de coulée, ce qui réduit la porosité due aux gaz et le risque de soudure à froid.
- Canaux de refroidissement : permettent de réguler la température du moule, de réduire la durée du cycle et d'améliorer la stabilité dimensionnelle.
Fonctions des outillages de moulage
Les outils de moulage ne se contentent pas de donner sa forme à la pièce. Ils ont également une incidence sur les cotes, l'état de surface, le contrôle des défauts, la marge d'usinage et la stabilité de la production en série.
Contrôle dimensionnel
Le métal se rétracte lors de la solidification et du refroidissement. La conception du moule doit tenir compte du taux de retrait, de la tendance à la déformation, de l'angle de dépouille et de la surépaisseur d'usinage.
Si la compensation est insuffisante, la pièce moulée peut présenter un décalage de la position des trous, une épaisseur de paroi inégale, une planéité insuffisante ou des cotes critiques instables.
Qualité de surface
Le matériau du moule, la surface de la cavité, la qualité du moule en sable, la ligne de joint, la position des broches d'éjection et la méthode de démoulage ont tous une incidence sur l'état de la surface de la pièce moulée.
Si le moule est usé ou mal entretenu, la pièce moulée peut présenter des surfaces rugueuses, des bavures plus importantes, des marques de démoulage visibles ou des défauts de surface localisés.
Contrôle des défauts
La conception de la buse, du canal de coulée, des évents et du système de refroidissement influe sur l'écoulement du métal en fusion et sur la séquence de solidification. Une ventilation insuffisante peut accroître le risque de porosité gazeuse. Une alimentation insuffisante peut entraîner l'apparition de cavités de retrait ou de porosité de retrait. Des trajets d'écoulement inadaptés peuvent augmenter le risque de défauts de soudure et de remplissage incomplet.
Dans le cas des carters en aluminium, des corps de pompe et des pièces sous pression, ces défauts ne peuvent apparaître qu'après l'usinage CNC, les essais d'étanchéité ou l'assemblage.
Allocation d'usinage
De nombreuses pièces moulées industrielles nécessitent un usinage CNC sur les faces critiques, les alésages, les filetages et les repères d'assemblage. Lors de la conception du moule, il convient de vérifier les zones à usiner, les surépaisseurs d'usinage et les repères de la pièce moulée brute.
Si la marge d'usinage est insuffisante, la pièce moulée brute peut sembler acceptable, mais ne pas pour autant répondre aux exigences dimensionnelles finales ou aux critères d'assemblage.
Stabilité des lots
Dans la production en série, l'état du moule influe sur les dimensions des pièces moulées brutes, l'état de leur surface et la variation des défauts. L'usure du moule, l'obstruction des évents, un refroidissement irrégulier ou des modifications de la structure d'éjection peuvent tous entraîner des différences d'un lot à l'autre.
Les projets de production à long terme doivent généralement tenir compte de l'entretien des moules, des inspections régulières et des plans de réparation nécessaires.
Quels sont les facteurs qui déterminent le coût des outillages de moulage ?
Le coût de l'outillage de moulage n'est pas fixe. Il dépend généralement du procédé de moulage, de la structure de la pièce, du matériau du moule, du volume de production, des exigences en matière de contrôle qualité, ainsi que du nombre de cycles d'essais et de modifications.
Lorsqu'ils comparent des devis, les acheteurs ne doivent pas se limiter à examiner le coût initial des outillages. Ils doivent également déterminer si le plan d'outillage est adapté à une production stable.
Processus de coulée
Les coûts d'outillage varient selon les procédés de moulage. Les modèles de moulage au sable sont généralement moins coûteux et conviennent aux petites séries ou aux pièces de grande taille. Les moules métalliques utilisés pour le moulage par gravité et le moulage à basse pression sont plus onéreux, mais ils offrent généralement une meilleure répétabilité dimensionnelle et une plus grande stabilité de production.
Les moules pour moulage sous haute pression sont généralement les plus coûteux et conviennent mieux aux pièces produites en grande série, à parois minces et de forme complexe.
Taille de la pièce
Plus la pièce est grande, plus le moule est généralement volumineux. Cela entraîne des exigences accrues en matière de matériaux de moulage, d'équipements d'usinage et de délais de fabrication.
Les pièces moulées de grande taille peuvent également nécessiter des opérations de levage et de positionnement plus complexes, ainsi qu’une préparation plus élaborée de la production d’essai.
Complexité structurelle
Les cavités profondes, les parois minces, les contre-dépouilles, les nervures complexes et les lignes de joint multiples compliquent la conception et la fabrication des moules.
Plus la structure est complexe, plus le risque de devoir procéder à des ajustements à l'essai et à des modifications du moule est élevé.
Cavités internes et noyaux
Si la pièce moulée comporte des canaux internes, des trous ou des cavités complexes, il est généralement nécessaire d'utiliser des boîtes à noyaux et des noyaux en sable.
Un nombre accru de noyaux de sable implique un positionnement plus complexe et des risques plus élevés de déplacement des noyaux et de variations dimensionnelles. Cela peut entraîner une augmentation des coûts d'outillage ainsi que des difficultés supplémentaires en matière de validation des essais et de contrôle qualité.
Matériau du moule
Les modèles en bois, en résine, les moules en aluminium, en fonte, en acier et en acier à outils se distinguent par leur coût, leur durée de vie et leur flexibilité en matière de modification.
Les projets à faible volume peuvent se prêter davantage à l'utilisation de matériaux d'outillage moins coûteux et plus faciles à modifier. Les projets à grand volume nécessitent généralement des moules métalliques plus résistants ou des moules de moulage sous pression.
Volume de production
Le volume de production visé influe sur le niveau d'investissement dans l'outillage. Les projets à faible volume accordent davantage d'importance au coût initial de l'outillage, tandis que les projets à fort volume se concentrent davantage sur la durée de vie du moule, l'efficacité de la production, les coûts de maintenance et la stabilité à long terme.
Si le projet s'inscrit dans un plan d'approvisionnement à long terme, il convient d'évaluer dès le début la durée de vie des moules et les coûts d'entretien.
Essai et modification
Une fois le moule fabriqué, une production d'essai est généralement nécessaire. Les échantillons d'essai doivent être contrôlés au niveau des dimensions, de la qualité de surface, des tolérances d'usinage et des défauts.
Pour les pièces étanches ou soumises à une pression, des essais d'étanchéité, des essais de pression ou d'autres contrôles peuvent également être nécessaires. Si des écarts dimensionnels, une porosité de retrait, une porosité gazeuse, des défauts de soudure à froid ou une marge d'usinage insuffisante sont constatés après la production d'essai, une modification du moule peut s'avérer nécessaire.
Conclusion
L'intérêt des outillages de moulage apparaît souvent clairement après une production d'essai. Lorsqu'un dessin est transposé en moule, en modèle ou en boîte à noyaux, des facteurs tels que la marge de retrait, les lignes de joint, le positionnement des noyaux, les évents et les zones d'usinage sont déjà intégrés au plan de production. Si ces détails ne sont pas examinés avec soin dès le début, les possibilités de modification ultérieure du moule et d'ajustement du processus peuvent s'en trouver limitées.
Alors que les projets de moulage sur mesure ne cessent de se multiplier, l'outillage de moulage ne se limite plus à la fabrication traditionnelle de moules. Les modèles imprimés en 3D, les prototypes rapides, les outillages souples ajustables, le refroidissement optimisé dans les moules métalliques, ainsi que les gabarits d'usinage ou de contrôle jouent un rôle de plus en plus important dans la transition du prototype à la production en série.
Chez MinHe, l'évaluation de l'outillage s'effectue généralement en parallèle de la sélection du procédé de moulage : moulage à basse pression, moulage par gravité et moulage au sable. Le plan d'outillage final doit tenir compte de la formation de la pièce moulée, de l'usinage post-moulage et du volume de production, plutôt que d'être considéré uniquement comme un simple devis de moule.
