TL ;DR

Un moule de fonderie sous pression est un outil haute précision réutilisable, généralement composé de deux demi-coquilles en acier trempé, qui constitue l'élément central du procédé de moulage sous pression. Du métal en fusion est injecté dans la cavité du moule sous une pression élevée, permettant ainsi la production en série de pièces métalliques complexes. Cette méthode est réputée pour produire des composants présentant une excellente précision dimensionnelle et une finition de surface lisse.

Qu'est-ce qu'un moule de fonderie sous pression ? Le mécanisme principal expliqué

Un moule de moulage sous pression, également appelé matrice ou outillage, est un outil de fabrication sophistiqué utilisé pour donner à un métal en fusion une forme spécifique et souhaitée. Fondamentalement, le moule se compose de deux moitiés principales : la « demi-matrizière fixe », qui est stationnaire, et la « demi-matrizière mobile », qui est déplaçable. Lorsque ces deux moitiés sont serrées ensemble sous haute pression, elles forment une cavité interne qui constitue l'exacte négatif de la pièce à produire. Ce procédé est conceptuellement similaire à un moule d'injection utilisé pour les plastiques, mais il est conçu pour résister aux températures et pressions extrêmes des métaux en fusion.

Le fonctionnement de base consiste à injecter un alliage métallique non ferreux en fusion dans cette cavité scellée à grande vitesse et sous haute pression. Cette pression est maintenue pendant la solidification du métal, garantissant que chaque détail de la cavité du moule soit parfaitement rempli. Cette technique est essentielle pour produire des pièces aux géométries complexes et aux parois fines, difficiles à réaliser avec d'autres méthodes de moulage. Une fois que le métal a refroidi et durci, la moitié éjectrice du moule se rétracte et un mécanisme d'éjection expulse la pièce moulée terminée.

Le choix du métal est crucial ; bien que ce procédé soit surtout utilisé pour les alliages non ferreux, il n'est pas exclusivement limité à ceux-ci. Les matériaux les plus couramment utilisés en moulage sous pression incluent :

• Alliages d'aluminium
• Alliages de Zinc
• Alliages de Magnésium
• Les alliages de cuivre (comme le laiton)

Ces matériaux offrent une gamme de propriétés, allant de la légèreté et de la résistance (aluminium et magnésium) à une forte résistance à la corrosion et une bonne aptitude au moulage (zinc). Selon Fictiv , ce procédé est idéal pour les productions à grand volume où la cohérence et la précision sont primordiales.

L'anatomie d'un moule de moulage sous pression : composants clés et fonctions

Un moule de moulage sous pression est bien plus qu'un simple bloc creux en acier ; il s'agit d'un ensemble complexe de composants précisément conçus fonctionnant en parfaite synergie. Chaque pièce joue un rôle essentiel dans le cycle de moulage, depuis l'acheminement du métal en fusion jusqu'au refroidissement de la pièce et son éjection propre. Comprendre ces composants est fondamental pour apprécier l'ingénierie derrière ce procédé. Les composants principaux sont la platine du moule, qui maintient toutes les autres pièces, et la cavité elle-même, qui forme la géométrie externe de la pièce.

Le parcours du métal en fusion est contrôlé par un réseau de canaux. Il commence au niveau du sprue , où le métal pénètre dans le moule provenant de la machine de moulage. De là, il circule à travers les guides , qui sont des canaux usinés dans les deux moitiés du moule afin de distribuer le métal. Enfin, il passe à travers le porte , une ouverture étroite qui dirige le métal dans la cavité du moule. La conception du système de couloirs et d'entrée est cruciale pour contrôler le débit et la pression afin d'éviter les défauts.

À l'intérieur du moule, le cœur forme les caractéristiques internes de la pièce, tandis que le cavité forme ses surfaces externes. Pour extraire la pièce finale, le système d'éjection , composé de broches et de plaques, pousse la pièce solidifiée hors du moule. Simultanément, un système de refroidissement , constitué de canaux par lesquels circulent de l'eau ou de l'huile, régule la température de la matrice. Ce contrôle est essentiel pour gérer le temps de cycle et éviter les dommages thermiques à l'outillage. Des évents sont également intégrés pour permettre à l'air piégé de s'échapper lorsque le métal est injecté.

Types courants de moules et de machines de moulage sous pression

Les moules de moulage sous pression sont souvent classés selon leur structure ou le type de machine pour lequel ils sont conçus. Du point de vue structurel, on distingue les moules à simple cavité, qui produisent une pièce par cycle, et les moules à multi-cavités, qui produisent plusieurs pièces identiques simultanément pour une efficacité accrue. Toutefois, la distinction la plus significative concerne les machines utilisées : le moulage sous pression à chambre chaude et à chambre froide.

La coulée sous pression à chambre chaude est utilisé pour les alliages à bas point de fusion, tels que le zinc, l'étain et le plomb. Dans ce procédé, le mécanisme d'injection est immergé dans le bain de métal fondu à l'intérieur du four. Cela permet des temps de cycle très rapides, car le métal n'a pas besoin d'être transporté depuis un four externe. Le procédé est hautement automatisé et efficace pour la production en grande série de pièces plus petites.

Moulage sous pression à chambre froide est requis pour les alliages à haut point de fusion, notamment l'aluminium et le magnésium. Dans cette méthode, une quantité précise de métal fondu est prélevée à la louche depuis un four séparé et versée dans une « chambre froide » ou un manchon de coulée avant d'être injectée dans le moule par un piston. Comme indiqué par Wikipedia , cette séparation est nécessaire afin d'éviter d'endommager les composants d'injection par un contact prolongé avec des métaux à haute température. Bien que les temps de cycle soient plus lents que dans le procédé à chaud, cela permet la fabrication de pièces structurelles solides et légères utilisées dans les industries automobile et aérospatiale.

Le procédé de moulage sous pression et les considérations de conception des moules

Le procédé de moulage sous pression est un cycle hautement efficace et automatisé qui transforme un métal en fusion en pièce finie en quelques secondes. Le moule est au cœur de cette opération, qui peut être divisée en plusieurs étapes clés. Chaque phase doit être soigneusement contrôlée afin que la pièce finale respecte des normes de qualité strictes. Le matériau utilisé pour le moule lui-même est généralement un acier outil durci de haute qualité, tel que l'H13, choisi pour sa capacité à résister aux chocs thermiques et à l'usure sur des centaines de milliers de cycles.

Le cycle de fabrication suit une séquence précise :

1. Préparation du moule et serrage : Les surfaces internes du moule sont pulvérisées avec un lubrifiant afin de faciliter le refroidissement et l'éjection de la pièce. Les deux moitiés du moule sont ensuite solidement verrouillées ensemble par la machine de moulage.
2. Injection : Le métal en fusion est injecté dans la cavité du moule sous haute pression (allant de 1 500 à plus de 25 000 psi). Le métal remplit rapidement la cavité, souvent en quelques millisecondes.
3. Refroidissement : Le métal en fusion se refroidit et se solidifie à l'intérieur du moule refroidi à l'eau ou à l'huile. Pendant cette phase, la pièce prend sa forme finale.
4. Éjection : Une fois solidifiée, la moitié mobile du moule s'ouvre, et les broches d'éjection expulsent la pièce de la cavité.
5. Découpe : La dernière étape consiste à découper tout matériau excédentaire, appelé bavure, ainsi que la rigole et les canaux de coulée, sur la pièce finie. Cette opération est souvent réalisée dans une étape secondaire à l'aide d'un outil de découpe.

La réussite de la production de pièces dépend fortement de la conception initiale du moule. Les ingénieurs doivent tenir compte de plusieurs facteurs pour garantir la qualité des pièces et maximiser la durée de vie du moule. Une conception adéquate est essentielle pour éviter les défauts courants tels que la porosité et les fissures. Les principaux critères de conception incluent :

• Angle de dépouille : Les surfaces parallèles à la direction d'ouverture du moule sont dotées d'un léger angle (dépouille) afin de permettre l'éjection de la pièce sans frottement ni dommage.
• Congés et rayons : Les angles internes vifs sont arrondis pour améliorer l'écoulement du métal et réduire les concentrations de contraintes dans la pièce finale.
• Épaisseur de paroi : Les parois doivent être aussi uniformes que possible afin de favoriser un refroidissement homogène et d'éviter les déformations ou marques de retrait.
• Ligne de joint : La ligne d'assemblage entre les deux moitiés du moule doit être soigneusement placée pour minimiser sa visibilité sur la pièce finale et faciliter le détourage.
• Évacuation : De petits canaux doivent être prévus pour permettre à l'air piégé dans la cavité de s'échapper lors de l'injection du métal, évitant ainsi la porosité gazeuse.

Questions fréquemment posées

1. Quelle est la différence entre le moulage sous pression et les autres méthodes de fonderie ?

La principale différence réside dans l'utilisation d'un moule en acier réutilisable (le moule) et dans l'application d'une pression élevée. Contrairement au moulage en sable, qui utilise un moule en sable jetable pour chaque pièce, le moulage sous pression utilise un moule en acier permanent destiné à une production en grand volume. Par rapport au moulage par investissement ou au moulage en moule permanent, le moulage sous pression injecte le métal dans le moule sous une pression nettement plus élevée, ce qui permet de produire des pièces aux parois plus fines, aux détails plus précis et à la finition de surface supérieure.

2. Quels matériaux sont utilisés pour fabriquer un moule de moulage sous pression ?

Les moules de moulage sous pression sont fabriqués en aciers d'outillage de haute qualité, résistants à la chaleur. Le matériau le plus courant est l'acier d'outillage H13, choisi pour son excellent équilibre entre dureté, ténacité et résistance à la fatigue thermique. Pour les moules nécessitant une durabilité encore supérieure, des aciers haut de gamme comme l'acier Maraging peuvent être utilisés. Le matériau doit supporter les cycles thermiques répétés consistant à être rempli de métal en fusion puis refroidi.

3. Combien de temps dure un moule de moulage sous pression ?

La durée de vie d'un moule de moulage sous pression, souvent appelée « durée de vie du moule », varie considérablement selon plusieurs facteurs. Ces facteurs incluent le type de métal coulé (l'aluminium étant plus abrasif et plus chaud que le zinc), la complexité de la pièce, les temps de cycle et la qualité de l'entretien. Un moule bien entretenu pour le moulage du zinc peut durer plus d'un million de cycles, tandis qu'un moule pour l'aluminium peut durer entre 100 000 et 150 000 cycles avant de nécessiter des réparations majeures ou un remplacement.