Moulage au sable – Processus, propriétés du sable, avantages et inconvénients

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Dans cet article, nous allons nous plonger dans le processus moderne de moulage au sable, en examinant comment il fonctionne et pourquoi il reste l’une des techniques de moulage de métaux les plus utilisées, même des milliers d’années après sa création.

Qu’est-ce que le moulage au sable ?

Le moulage au sable, ou moulage en sable, est un procédé de fabrication de métal qui consiste à utilise des matrices fabriquées à partir de sable pour créer des produits métalliques. Le sable peut facilement être moulé avec des objets courants. Après l’avoir façonné comme vous le souhaitez, vous versez du métal chaud en fusion dans le moule. En se refroidissant, le métal prend la forme du moule en se solidifiant. Le produit métallique final est ensuite extrait du moule en sable et subit une finition avant d’être utilisé.

La technique du moulage en sable permet de fabriquer des produits de toutes tailles et de tous niveaux de complexité. Elle peut être utilisée pour couler des objets aussi petits que des épingles ou aussi grands que des locomotives de chemin de fer. En outre, il est compatible avec un large gamme de métauxy compris la fonte, la fonte malléable, l’acier, les alliages de nickel, les alliages de cuivre, les alliages d’aluminium et les alliages de magnésium.

Sa polyvalence fait du moulage en sable le procédé de moulage le plus utilisé au monde, avec plus de 60 % de tous les produits métalliques moulés fabriqués à l’aide de cette méthode.

Propriétés du sable de moulage

Bien qu’il existe de nombreux types de sables différents, tous ne conviennent pas au processus de moulage. Chacun d’entre eux présente certaines caractéristiques qui peuvent ou non correspondre aux exigences du projet.

En fonction du processus de moulage et du métal, le sable de moulage doit présenter la bonne combinaison de propriétés. Pour améliorer la cohésion, des additifs et des liants spéciaux peuvent être ajoutés au mélange de base de sable, d’argile et d’eau.

Ces liants, qui peuvent être organiques ou inorganiques, comprennent notamment les céréales, la poix moulue, le charbon de mer, la gilsonite, le mazout, la farine de bois, la farine de silice, l’oxyde de fer et la perlite. Certains de ces liants ont des effets contradictoires mais des compromis sont souvent nécessaires afin d’équilibrer les propriétés pour des applications de moulage spécifiques.

Le les quatre types de sable les plus courants utilisés pour le moulage sont le sable vert, le sable sec, le silicate de sodium et le sable résineux :

1. Sable vert Il est appelé ainsi parce qu’il s’agit essentiellement de sable brut mélangé à de l’eau. Il a une consistance argileuse. Le sable vert constitue une option peu coûteuse pour le sable de coulée, avec une bonne réutilisation et compatible avec des taux de production élevés. Toutefois, sa faible malléabilité peut entraîner l’effondrement du moule dans certaines situations. Il a également tendance à créer des défauts de surface.
2. Sable secLe sable sec, quant à lui, est un sable de moulage qui utilise de l’argile et contient très peu d’eau comme agent liant. Il conserve assez bien sa forme une fois qu’il est mis en place. L’avantage du sable sec est qu’il crée très peu de vapeur pendant la phase de remplissage, ce qui, dans le cas de sables plus humides, peut entraîner la rupture du moule si l’on n’y prend pas garde.
3. Silicate de sodiumLe silicate de sodium, ou verre soluble, est un sable spécial qui utilise un liant à base de silicate de sodium pour intégrer le sable. Le silicate de sodium permet de créer des formes plus complexes que le sable vert et le sable sec.
4. Sable résineux, alias Sable de furaneIl utilise une résine d’alcool furfurylique pour créer une masse cohérente à partir du sable. Ce composé robuste et très stable a très peu tendance à se décomposer et offre une précision dimensionnelle et une finition de surface excellentes. Cependant, il s’agit du sable le plus cher de tous. Le délai d’exécution est également plus long.

Les ingénieurs en fonderie choisissent le type de sable en fonction du métal, de la géométrie du produit et des limites de tolérance. Mais quelles que soient les spécifications, ils sélectionnent toujours un type de sable en fonction des propriétés suivantes :

Réfractarité

La réfractarité est la propriété d’un matériau qui lui permet de résister aux chocs thermiques et de brûler lorsqu’il est soumis à des températures élevées. Le sable sert de matériau réfractaire pour le métal en fusion et doit donc avoir un point de fusion élevé. Le choix du sable pour la coulée est largement influencé par la température du processus. Si la réfractarité est insuffisante, le sable fondra et fusionnera avec la pièce coulée.

Pour de nombreux métaux, tels que l’aluminium, le sable ne doit résister qu’à une température de 700 degrés Celsius. Toutefois, les sables destinés aux moulages en acier doivent résister à une température d’au moins 1 500 degrés Celsius, car le point de fusion est plus élevé.

Perméabilité

Le sable doit évacuer la vapeur et les autres gaz générés pendant le processus de coulée. Chaque unité d’eau dans le moule produit 1600 unités de vapeur.

Si les gaz et la vapeur sont piégés, ils peuvent provoquer des défauts tels que des soufflures et des trous de gaz dans le produit final. Leur élimination est cruciale pour obtenir une finition de bonne qualité. La perméabilité est donc une propriété essentielle du sable pour obtenir un produit fini de haute qualité.

Les propriétés du sable de moulage sont influencées par la taille et la distribution des grains : les petits grains augmentent la résistance du moule mais réduisent la perméabilité, tandis que les gros grains augmentent la perméabilité. Les grains fins permettent d’obtenir un fini de surface lisse sur les pièces moulées mais ont une faible perméabilité, tandis que les grains grossiers offrent une perméabilité plus élevée mais un fini plus rugueux.

Conductivité thermique élevée

La conductivité thermique est la propriété d’un matériau qui permet à la chaleur de circuler à travers lui. Un flux de chaleur efficace entraîne un refroidissement plus rapide du métal en fusion. Les sables à forte conductivité thermique sont nécessaires pour transférer la chaleur du métal en fusion vers l’atmosphère.

Faible dilatation thermique

La dilatation thermique est l’augmentation ou la diminution du volume d’un matériau lorsque de la chaleur est ajoutée ou retirée, respectivement. Pour le processus de moulage en sable, il est nécessaire d’utiliser un sable à très faible dilatation thermique. Ce type de sable conservera sa forme pendant les différentes étapes du processus de moulage, y compris la coulée du métal liquide et le refroidissement qui s’ensuit.

Capacité d’écoulement

La capacité du sable à s’écouler dans des zones plus petites, telles que les cavités, les dépressions et les canaux profonds du modèle, détermine s’il peut être utilisé pour couler des formes complexes. Un sable ayant une meilleure fluidité remplira toutes les caractéristiques d’un modèle sans nécessiter de pression externe.

Un sable très fluide n’est pas nécessaire pour des formes simples, telles qu’une plaque d’égout, mais il peut l’être pour des formes plus complexes, telles qu’une sculpture. Le niveau de fluidité nécessaire peut donc être déterminé au cas par cas.

Coût

Le coût peut également varier considérablement d’un sable à l’autre. Le sable de silice, par exemple, est très disponible, mais il présente aussi des problèmes tels que l’instabilité dimensionnelle et la tendance à brûler ou même à exploser pour former des particules de taille inférieure au micron sous l’effet d’un choc thermique. La silicose est également un problème extrêmement préoccupant, les travailleurs étant exposés à la silice pendant de longues périodes. L’olivine et le sable de chromite, en revanche, sont plus chers et moins disponibles, mais ne posent pas les problèmes susmentionnés.

Le processus de moulage est simple pour les produits simples. Une cavité de la forme souhaitée est créée et le métal en fusion y est versé par un canal vertical. Une fois que le métal s’est solidifié, il est extrait en retirant le sable du moule qui l’entoure.

Toutefois, dans le cas de formes complexes, il convient d’examiner attentivement des aspects tels que le remplissage du moule, l’élimination de l’excédent de métal, l’obtention d’une finition de surface de haute qualité et la garantie d’une température et d’une vitesse optimales du métal en fusion pour un remplissage uniforme.

Examinons plus en détail un processus typique de moulage au sable :

1. Création du moule

Le moule est créé à partir d’un modèle, qui est une réplique du produit souhaité. Le modèle peut être fabriqué à partir d’un matériau ou d’un procédé différent, comme l’usinage ou la fabrication additive, mais il a la même forme et les mêmes dimensions que le produit final. Plusieurs moules peuvent être créés à partir d’un seul modèle.

Le modèle est séparé en deux parties le long de la ligne médiane de la forme. Chaque moitié est ensuite placée dans des bacs à sable séparés et le mélange de sable est tassé autour d’eux pour créer des empreintes des motifs dans le sable.

Une fois les motifs retirés du sable, les deux bacs à sable sont placés l’un sur l’autre et fixés pour former le moule complet. La moitié supérieure et la moitié inférieure sont appelées respectivement « chape » et « traînée ». La cavité du moule ainsi générée a la forme négative du produit. Par exemple, une protubérance sur le produit final apparaît comme une dépression dans le moule.

2. Création d’un système de vannes

Le système de portillon permet au métal en fusion de s’écouler dans la cavité. Un système bien conçu peut être déterminant pour la qualité du produit. Un système d’obturation efficace est simple, performant et minimise les turbulences. Il retient également tout gaz ou laitier présent dans le métal en fusion.

Les principaux composants du système de fermeture nécessitant une conception soignée sont les suivants :

• Bassin de coulée et carotte – Le bassin de coulée sert de point d’entrée en forme d’entonnoir pour le métal en fusion. Le métal s’écoule dans la carotte depuis le bassin de coulée, se déplaçant par gravité vers la cavité.
• Coulisseaux – Les glissières sont des canaux horizontaux permettant au métal en fusion d’atteindre la cavité de la matrice à partir de la carotte.
• Portes – Les portes sont les points d’entrée de la cavité de la filière, assurant un flux régulier du métal en fusion dans la cavité de la filière, maintenant la pression et empêchant les éclaboussures. Elles empêchent également les scories de pénétrer dans la cavité de la filière.
• Elévateurs – Pour contrer la contraction du métal lors de son refroidissement, les élévateurs servent de réservoirs dans le système d’obturation, en stockant le métal en fusion supplémentaire. Lorsque le métal commence à se rétracter, les élévateurs fournissent du matériau supplémentaire à la cavité, évitant ainsi les pénuries de métal.
• Noyaux – Lorsqu’un produit nécessite une section creuse ou une cavité, un insert de sable solide appelé noyau est placé à l’intérieur de la matrice pour former la cavité prévue. Le métal en fusion se remplit autour du noyau, créant ainsi la cavité dans la coulée finale. Des chaplets maintiennent le noyau en place pendant la coulée.

3. Couler le métal en fusion

Le métal en fusion est versé par le haut dans la cavité. Le volume de métal utilisé est légèrement supérieur à celui du produit afin de s’assurer qu’un excédent de matériau est stocké dans les colonnes montantes.

4. Solidification en coulée

Une fois la cavité de la matrice remplie, on laisse la pièce coulée refroidir. Un refroidissement naturel ou forcé peut être appliqué en fonction du métal et du processus. Un refroidissement adéquat est essentiel pour obtenir les propriétés souhaitées et maintenir la précision dimensionnelle du produit final.

5. Secouage et récupération du sable

Le décochage est le processus de démoulage des pièces coulées en sable. Le sable est secoué et déplacé pour séparer le moulage solidifié, qui est ensuite envoyé pour les opérations finales de finition, tandis que la récupération du sable commence.

Comme tout le sable ne peut pas être récupéré, une partie du vieux sable est remplacée par du sable frais pour les futurs processus de moulage en sable. Pour restaurer les propriétés du sable en vue de sa réutilisation, des traitements mécaniques, chimiques et thermiques peuvent être appliqués, ainsi que des ajustements de sa composition en compensant la perte d’humidité et d’additifs.

Avantages du moulage en sable

Malgré le développement de nombreuses technologies de pointe au cours des dernières décennies, le moulage au sable reste l’un des procédés de fabrication de métaux les plus populaires. Ses avantages uniques le rendent indispensable dans le paysage manufacturier moderne. Aujourd’hui, le moulage en sable est souvent automatiséce qui renforce son adaptabilité et son efficacité pour répondre aux exigences des environnements de production contemporains. Voici quelques avantages clés qui font du moulage en sable un processus si précieux.

Adapté à tous les types de production

Le moulage en sable est compatible avec diverses installations de production, permettant la production d’une seule pièce, d’un lot ou d’une masse. Cette méthode est largement utilisée dans des secteurs tels que l’automobile, la défense, l’agriculture, l’exploitation minière, la construction, les soins de santé et les énergies renouvelables.

Dans l’industrie automobile, le moulage en sable est utilisé pour développer des prototypes, des blocs moteurs, des culasses et diverses pièces de moteurs à combustion interne. Son application s’est également étendue à la fabrication des véhicules électriques, où le moulage en sable est utilisé pour produire des composants structurels, des boîtiers de moteur, des boîtiers de batterie, etc.

Il existe presque aucune limitation de taille également. Des produits dont la masse varie de quelques grammes à quelques tonnes peuvent être coulés avec une précision mathématique.

Rentabilité

L’un des principaux facteurs qui poussent les différents secteurs à adopter la technologie de la coulée en sable est le coût. Le moulage en sable est nettement plus rentable que les autres procédés de moulage. Le sable peut être réutilisé pour de futures coulées avec un traitement minimal.

Le l’automatisation dans la production en grande série réduit également le coût par pièce tout en garantissant une qualité constante et fiable. Le moulage en sable entraîne également de faibles coûts d’outillage par rapport à d’autres méthodes de moulage.

Convient à tous les métaux

Le moulage en sable peut être utilisé avec presque tous les alliages de métaux ferreux ou non ferreux. Les exemples incluent l’or, le fer, le plomb et le titane. La seule condition est que le métal soit fondu et coule sous forme liquide dans le moule. Cette flexibilité permet aux fonderies de travailler avec une large gamme de métaux sans nécessiter de modifications importantes du processus ou de l’équipement.

Processus rapide

Bien que des procédés comme le moulage par centrifugation puissent être plus efficaces pour des formes spécifiques, le moulage en sable offre des délais d’exécution rapides tant pour le prototypage que pour les applications à grande échelle.

Limites de la coulée en sable

Tous les processus de fabrication impliquent des compromis. Dans le cas du moulage en sable, cependant, ces compromis sont minimes par rapport aux avantages. Examinons quelques-unes de ces limites :

Mauvaise finition de la surface

La mauvaise qualité du sable et les écarts de processus peuvent parfois entraîner un mauvais état de surface des pièces coulées en sable. Toute défaillance dans le moule en sable peut entraîner une surface rugueuse. Pour les produits nécessitant une finition de surface de haute qualité sans post-traitement important, le moulage sous pression et le moulage à la cire perdue sont souvent préférés, mais le moulage en sable peut également produire des finitions raffinées avec le sable et les processus appropriés.

L’utilisation d’un sable de haute qualité et plus fin permet d’obtenir une bien meilleure finition de surface, mais augmente le coût du processus. L’utilisation d’un sable de haute qualité et plus fin permet d’obtenir un bien meilleur état de surface, mais augmente le coût du processus. Pour corriger les défauts de surface tels qu’une finition trop rugueuse, les pièces moulées en sable subissent généralement des opérations d’usinage telles que le tournage, la rectification et le grenaillage.

Contrôle approximatif des taux de refroidissement

Si les vitesses de refroidissement peuvent être contrôlées plus efficacement dans de nombreux procédés de fabrication des métaux, il n’en va pas de même pour le moulage au sable. Le sable, en tant qu’isolant, exacerbe les défis liés à la phase de refroidissement. La phase de refroidissement est considérablement prolongée dans le cas du moulage au sable, ce qui a un impact sur les délais et les taux de production.

Une certaine variation de l’anisotropie de la microstructure peut se produire en raison de la variation des vitesses de refroidissement. L’anisotropie fait référence aux changements des propriétés mécaniques résultant des modifications de l’orientation des grains du matériau.

La formation de cavités internes peut être difficile

La méthode de moulage en sable nécessite la mise en place de noyaux dans la cavité du moule pour former des cavités internes. Par exemple, lors de la fabrication d’un bloc moteur, des cavités vides pour les cylindres du moteur doivent être créées pendant le processus de moulage.

La création de chambres internes, de trous ou d’espaces dans la cavité du moule est un défi, car ils doivent être positionnés correctement et soutenus de manière adéquate pour résister au processus de moulage. Plus ces cavités sont complexes, plus les défis à relever sont nombreux.

Une main-d’œuvre qualifiée est nécessaire si le processus n’est pas automatisé.

Les processus automatisés peuvent être coûteux. Toutefois, en l’absence d’automatisation, le processus repose sur des experts qualifiés en moulage au sable qui créent des modèles et des moules et supervisent le processus afin de garantir un produit de haute qualité. En l’absence de main-d’œuvre qualifiée, les résultats risquent d’être nettement inférieurs aux normes acceptables, ce qui entraînerait des pertes matérielles et de réputation.

L’élimination du sable peut être un défi

Les fonderies recyclent le sable de moulage autant que possible, mais après un certain nombre de cycles, il ne peut plus être réutilisé. Cependant, les déchets de sable provenant des fonderies sont des contaminants nocifs qui peuvent poser des problèmes environnementaux.

La construction est l’un des secteurs où les déchets de sable de fonderie sont désormais détournés de l’élimination. Il est utilisé comme substitut au granulat fin (sable) dans le béton. Cette pratique permet non seulement de résoudre le problème de l’élimination du sable, mais aussi de réduire les coûts et les émissions de carbone liés à la production de béton.

Mais à part cela, la plupart des déchets de sable de fonderie finissent dans une décharge, ce qui n’est certainement pas idéal. Les possibilités de recyclage du sable de fonderie sont limitées.

Conclusion

Bien que le moulage en sable traditionnel soit un procédé ancien, il a fait l’objet d’améliorations remarquables, ce qui le rend très pertinent et utile dans le paysage manufacturier actuel. Sa popularité est en partie attribuée à sa polyvalence pour différents types de métaux et tailles de produits, et en partie à sa rentabilité par rapport à d’autres procédés de moulage.

Les innovations en cours dans le domaine de la science des matériaux et de l’automatisation des processus renforcent l’importance du moulage en sable dans des secteurs allant de l’automobile à la construction. Au fur et à mesure de l’évolution des industries, le moulage en sable continuera à façonner le paysage industriel, mêlant tradition et innovation dans les techniques de travail des métaux.

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