Marshall Miller, ingénieur d’applications, 3D Systems
Le moulage au sable a connu des changements spectaculaires ces dernières années grâce aux avantages offerts par l’impression 3D, également connue sous le nom de fabrication additive. Rassurez-vous, les adeptes du moulage au sable et les entreprises de fonderie traditionnelle ne mettront pas la clé sous la porte à cause de l’impression 3D.
Au contraire, la fabrication additive peut aider le moulage au sable traditionnel en le rendant plus rapide, rentable et agile. Même en ayant recours à l’impression 3D, la méthodologie de base du moulage au sable reste en grande partie inchangée :
- Elle continue d’utiliser une réplique ou un modèle de la pièce finale.
- Ce modèle est toujours placé dans un moule en deux parties avec des noyaux pour aménager des passages internes en cas de besoin.
- Le sable de moulage spécialisé est toujours compacté dans le châssis ou la chambre de moulage et sur la face du modèle.
- Un chenal, une descente de coulée, un masselottage et un orifice de coulée restent nécessaires.
- On continue de verser le métal en fusion.
La seule étape qui change dans ce processus traditionnel, avec le recours à l’impression 3D, est la méthode de fabrication de la réplique ou du modèle et des équipements de noyaux.
Comparaison entre modèles soustractifs et modèles obtenus par fabrication additive
La méthode traditionnelle de fabrication de modèles fait appel à des technologies de fabrication soustractive telles que le fraisage CNC de formes de base en métal ou en plastique. Ces procédés manipulent un bloc de matériau pour lui donner la forme souhaitée en éliminant sélectivement le matériau indésirable à l’aide de machines-outils. À l’inverse, la fabrication additive part de rien et ajoute seulement le matériau nécessaire, couche après couche, dans un volume ou sur une plate-forme de fabrication. Le procédé de technologie additive fournit des pièces dans une large gamme de polymères dont des thermoplastiques standard, des résines thermodurcissables, chargées et photopolymères, et même des métaux.
L’impression 3D de modèles de moulage est recommandée par rapport à la fabrication traditionnelle dans certains cas d’utilisation :
Rétro-ingénierie des équipements de modèles anciens et usé : le processus de moulage au sable devient plus précis, automatisé et reproductible lorsqu’on utilise la fabrication additive. Des scanners 3D sont utilisés pour numériser la pièce originale ou l’équipement du modèle. Le fichier de conception peut être ajusté ou complété à l’aide d’un logiciel de CAO 3D, puis imprimé en 3D avec les tolérances et les facteurs de rétrécissement appropriés.
Lors du changement des alliages utilisés pour un moulage : si les alliages changent, les facteurs de retrait changent aussi. Les outils imprimés en 3D peuvent être reproduits rapidement de façon à réaliser efficacement des moulages adaptés au facteur de retrait de l’alliage, ce qui permet d’éviter tout décalage ou endommagement du modèle.
Un délai d’exécution rapide est essentiel : les modèles imprimés en 3D peuvent être produits en quelques heures ou quelques jours seulement, ce qui constitue un avantage majeur pour le prototypage ou la livraison d’un lot de pièces en petite série.
Plusieurs itérations, des ajustements permanents ou des modifications importantes de l’équipement du modèle sont nécessaires : ajuster le fichier CAO d’un modèle avant de le réimprimer est beaucoup plus rentable, plus rapide et plus automatisé que d’ajuster un équipement de modèle de fabrication traditionnel.
Pièces moulées complexes en petite série : les applications combinées de processus 3D de modèles polymères imprimés en 3D ainsi que de noyaux de sable imprimés en 3D permettent de produire des moulages plus rapidement sans passer par la production d’équipements de noyau coûteux et longs. Si, pour une raison quelconque, le ou les moulages sont à refaire, il est beaucoup moins coûteux et plus rapide de fabriquer des moules traditionnels et d’acheter/de produire des noyaux de sable supplémentaires imprimés en 3D.
Les technologies d’impression 3D ne sont pas toutes identiques
Il existe un grand nombre et une large gamme de technologies d’impression 3D, notamment le jet de liant (sables/métaux), le laser sur lit de poudre/EBM, le polymère / la céramique SLA, l’extrusion de filament et l’extrusion de granulés. Des facteurs, tels que la géométrie des pièces, la taille des modèles et les exigences matérielles, doivent être pris en compte lors de la sélection de la meilleure technologie pour l’équipement de modèle de moulage au sable. Une imprimante 3D grand format répond aux besoins de nombreux modèles de moulage au sable en termes de taille. Par exemple, l’impression 3D directe de granulés permet d’utiliser une large gamme de matériaux avec des taux de dépôt jusqu’à 10 fois supérieurs à ceux de l’impression 3D par filament. En outre, le coût des matériaux en granulés est jusqu’à 10 fois inférieur à celui du filament, ce qui fait de l’extrusion de granulés une alternative rentable aux technologies soustractives.
Si les technologies d’impression 3D apportent en elles-mêmes des avantages significatifs au processus de moulage, la combinaison des techniques additives et soustractives dans une plate-forme hybride présente plusieurs avantages pour les applications de moulage au sable. Par exemple, chacune de ces méthodes clés, à savoir l’extrusion de granulés, l’extrusion de filaments et l’outillage soustractif à broche, présente des avantages et des limites lorsqu’elle est utilisée de manière isolée. Cependant, lorsqu’elles sont combinées dans une solution de plate-forme hybride, tous les avantages peuvent être obtenus sans contrainte.
De gauche à droite : impression de filament en PLA ; impression de granulés en ABS avec une buse de 0,4 mm en couches de 0,2 mm ; impression à partir de granulés ABS usinée
Pour illustrer l’efficacité d’une plate-forme hybride pour les applications de moulage au sable, nous pouvons étudier un cas d’utilisation réel. Proveedora de Servicios y Suministros Industriales (PSSI) souhaitait recourir à la fabrication additive pour réduire le coût de fabrication des équipements de modèle tout en réduisant les délais. Son objectif était de diviser ses délais et ses coûts par deux tout en maintenant la qualité dimensionnelle du modèle.
En utilisant une plate-forme hybride, dans ce cas, une imprimante 3D à extrusion de granulés Titan, PSSI a pu éliminer l’assemblage et l’usinage du bois de l’équipement classique de réalisation de modèles en bois. Contrairement à une machine à commande numérique, l’imprimante 3D Titan n’exige pas que des techniciens soient présents en continu pour faire fonctionner l’équipement.
La fabrication peut donc avoir lieu sans surveillance, ce qui permet de réduire sa durée de plus de 60 % : de sept semaines à deux semaines et demie, tout en diminuant son coût total. De plus, le matériau choisi, le PETG, a non seulement une meilleure durabilité que le bois mais il présente aussi des propriétés de meulage équivalentes pour le post-traitement final. Cela permet d’obtenir une solution de forme quasi nette plus rapide et moins coûteuse, directement à la sortie de l’imprimante. Alonso Alvarez, PDG de PSSI a déclaré : « L’impression 3D nous a aidés à accélérer la fabrication de nos produits parce que nous savions que l’imprimante 3D pouvait fonctionner 24 h/24, 7 j/7 sans surveillance lors de l’impression. »
Vue de l’outil de découpage de l’impression et impression du modèle correspondant (photos reproduites avec l’aimable autorisation de Proveedora de Servicios y Suministros Industriales).
Modèle de composant de pompe et boîtes à noyaux terminés (photos reproduites avec l’aimable autorisation de Proveedora de Servicios y Suministros Industriales)
Modèle de composant de pompe et boîtes à noyaux terminés (photo reproduite avec l’aimable autorisation de Proveedora de Servicios y Suministros Industriales)
Quelle que soit la technologie de fabrication additive utilisée pour produire des modèles de moulage au sable, il convient de garder à l’esprit certains conseils importants.
Pour obtenir des modèles de moulage au sable présentant une finition de surface améliorée :
Envisagez d’utiliser des polymères haute performance, comme l’ABS chargé en fibres de carbone ou en verre, le PC, le polyamide ou le PEKK, qui offrent une durabilité supérieure et une meilleure tolérance au sablage et à l’usinage que les polymères à basse température, comme le PLA et le PETG.
Tenez compte du fait que l’apprêt/peinture adhère bien aux polymères les plus performants, à l’exception des polyoléfines (PP, PE). Des revêtements conçus spécifiquement pour les objets imprimés sont disponibles.
Concernant la résistance aux solvants et la résistance chimique au sable :
Aucune réaction connue au sable à prise chimique, sable bitumineux, sable vert ou ISO-Cure.
Pour obtenir des modèles à faible usure, à haut débit utilisant des polymères plus résistants :
- Jusqu’à 30 000 cycles avec presque aucune usure visible ou mesurable ont été documentés par des études AFS (3D Printed Tooling for the Disamatic Process, Garret Iverson, Scenic Industries LLC, AFS AM Division, 3D Hard Tooling Committee, AFS Cast Expo, 2019).
- Lorsque c’est raisonnable, imprimez par segments et assemblez l’équipement du modèle. Ceci réduit l’impact des problèmes d’impression et produit des outils en parallèle sur plusieurs imprimantes plutôt qu’en série.
- Concevez toujours pour la fabrication additive (DfAM) afin de limiter la consommation de matériau, le temps d’impression, le besoin de supports et les défauts d’impression, comme le gondolage. N’oubliez pas la règle des 45° et appliquez-la.
- Les zones à forte usure peuvent être assemblées au modèle et remplacées en cas d’usure excessive.
- L’injection est également une excellente application additive. Elle est rapide (du jour au lendemain), précise et reproductible.
- Cette technologie est plutôt simple à intégrer dans l’entreprise en utilisant un logiciel de tranchage disponible en pleine concurrence.
- Les capacités CAO sont essentielles, tout comme la mobilisation de ressources suffisantes pour l’utilisation de la technologie.
- L’expérience dans la conception et la production d’équipements de modèles et l’équipement utilisé pour cela fin rendent l’intégration de la fabrication additive beaucoup plus transparente
En intégrant la fabrication additive au processus de moulage au sable, les fonderies et les ateliers de fabrication de modèles deviennent plus agiles et plus compétitifs puisqu’ils sont en mesure de commercialiser des pièces moulées de haute qualité plus rapidement et à un prix inférieur à celui des méthodes traditionnelles.
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