TL ;DR

La conception de moulage sous pression assisté par vide vise à fabriquer des composants selon un procédé qui élimine l'air et les gaz de la cavité du moule à l'aide d'un vide avant l'injection du métal en fusion. Cette étape cruciale réduit considérablement la porosité gazeuse, produisant ainsi des pièces plus denses, plus résistantes et dotées d'une finition de surface supérieure. Une conception adéquate, incluant la prise en compte de l'épaisseur des parois et de l'étanchéité du moule, est essentielle pour tirer parti de ce procédé afin de produire des composants complexes, performants et exempts de défauts.

Fondamentaux du moulage sous pression assisté par vide

La coulée sous pression assistée par vide, parfois appelée coulée sous pression sans gaz, est un procédé de fabrication avancé qui améliore la fonderie traditionnelle sous pression élevée. Son principe fondamental consiste à extraire systématiquement l'air et d'autres gaz piégés de la cavité du moule et de la manchette d'injection avant que le métal en fusion ne soit injecté. En créant un environnement proche du vide, ce procédé résout l'un des problèmes les plus récurrents de la fonderie conventionnelle : la porosité due aux gaz. Cela est rendu possible en raccordant un système de vide puissant au moule, qui évacue la cavité juste avant et pendant l'injection de l'alliage en fusion.

Le problème fondamental que cette technologie résout est le piégeage des gaz. Dans un procédé de fonderie standard, l'injection à haute vitesse du métal en fusion peut emprisonner des poches d'air à l'intérieur du moule. Ces gaz piégés créent des vides ou des pores dans le métal solidifié, compromettant ainsi son intégrité structurelle. Selon des experts en fabrication, Xometry , cette porosité peut entraîner des propriétés mécaniques incohérentes et des points faibles. Le procédé sous vide remédie à ce problème en éliminant l'air qui risquerait sinon d'être piégé, permettant ainsi au métal en fusion de remplir chaque détail du moule sans résistance ni turbulence.

Par rapport au moulage sous pression conventionnel, la méthode assistée par vide produit des pièces de qualité nettement supérieure. L'évacuation de l'air dans le moule empêche non seulement la formation de bulles, mais favorise également une pénétration plus efficace du métal en fusion dans les sections complexes et à parois minces du moule. Cela donne des composants plus denses, plus résistants et dotés d'une surface nettement plus lisse. Comme le souligne la North American Die Casting Association, bien qu'un système sous vide constitue un complément puissant, il ne dispense pas de bonnes pratiques de conception en matière de moulage sous pression, notamment pour l'ingénierie des canaux d'injection, des portes et des débords. C'est la combinaison d'une bonne conception et de l'assistance par vide qui permet d'atteindre le niveau de qualité le plus élevé.

Avantages principaux et améliorations de la qualité

Le principal avantage de l'utilisation d'un vide dans le processus de moulage sous pression est l'amélioration considérable de la qualité et de l'intégrité des pièces. En minimisant l'entraînement de gaz, ce procédé permet d'obtenir des composants dont la porosité est nettement réduite. Cela donne des pièces coulées non seulement plus denses, mais qui présentent également des propriétés mécaniques plus homogènes et prévisibles, telles qu'une résistance à la traction et un allongement plus élevés. Cette fiabilité est essentielle pour les composants utilisés dans des applications exigeantes, notamment dans les industries automobile et aérospatiale.

Un autre avantage majeur réside dans la qualité supérieure de la finition de surface. Les défauts tels que les cloquages et les micro-porosités, souvent causés par l'expansion des gaz piégés près de la surface, sont pratiquement éliminés. Cela donne des surfaces plus propres directement sorties du moule, réduisant ainsi le besoin d'opérations secondaires de finition coûteuses et longues. Comme indiqué en détail par Kenwalt Die Casting , cette réduction des défauts entraîne moins de pièces rejetées, ce qui permet d'économiser du temps, de la main-d'œuvre et des coûts de matériaux. De plus, le remplissage uniforme du moule sous vide peut prolonger la durée de vie de l'outillage en réduisant les pressions internes élevées et l'usure associées à l'air emprisonné.

Les améliorations de qualité ouvrent également de nouvelles possibilités de fabrication. Les pièces produites par moulage sous pression sous vide conviennent à des traitements postérieurs souvent problématiques pour les pièces coulées conventionnellement. Comme il y a peu ou pas de gaz emprisonné susceptible de se dilater et de provoquer des défauts, ces composants peuvent être traités thermiquement, soudés ou plaqués de manière fiable. Cette capacité est essentielle pour les pièces structurelles nécessitant une résistance accrue ou des caractéristiques de surface spécifiques.

Le procédé assisté par vide : analyse étape par étape

Bien qu'il s'appuie sur le flux opérationnel traditionnel de moulage sous pression, le procédé assisté par vide intègre une phase supplémentaire essentielle. Comprendre cette séquence est crucial pour apprécier son impact sur la conception et la qualité finale de la pièce. Le processus suit généralement ces étapes distinctes :

1. Préparation et fermeture du moule : Les deux moitiés de la matrice en acier sont d'abord nettoyées, lubrifiées avec un agent de démoulage et fermées hermétiquement. Un aspect critique de conception consiste à s'assurer que la matrice dispose de joints efficaces pour maintenir le vide une fois celui-ci appliqué. Toute fuite compromettrait le processus.
2. Application du vide : Une fois la matrice fermée, une pompe à vide haute capacité est activée. Les vannes reliées à la cavité de la matrice et au système de coulée s'ouvrent, et la pompe extrait l'air ainsi que les gaz provenant des lubrifiants, créant un environnement sous basse pression à l'intérieur du moule. Cette étape doit être minutée avec précision.
3. Injection du métal en fusion : L'alliage métallique souhaité, fondu dans un four, est transféré dans la chambre de coulée de la machine. Un piston à haute pression injecte alors le métal en fusion dans la cavité de la matrice évacuée. Le vide aide à attirer le métal uniformément dans le moule, garantissant qu'il remplisse chaque détail sans créer de turbulence.
4. Solidification et refroidissement : Une fois la cavité remplie, le métal en fusion commence à refroidir et à se solidifier, prenant la forme de l'outil. Ce dernier est souvent équipé de canaux de refroidissement internes permettant de contrôler la vitesse de solidification, ce qui est crucial pour obtenir les propriétés métallurgiques souhaitées.
5. Ouverture de l'outil et éjection de la pièce : Après la solidification de la pièce moulée, le vide est relâché et les deux moitiés de l'outil s'ouvrent. Des broches d'éjection poussent alors la pièce finie hors du moule. La pièce est désormais prête à subir d'éventuelles opérations secondaires telles que l'ébavurage, l'usinage ou la finition de surface.

Ce cycle complet est extrêmement rapide, souvent terminé en quelques secondes à quelques minutes, ce qui le rend très adapté à une production de grande série. L'intégration du système sous vide ajoute de la complexité, mais est essentielle pour atteindre la qualité supérieure caractéristique de ce procédé.

Principes clés de conception pour le moulage sous pression sous vide

Une conception efficace de moulage sous pression assisté par vide va au-delà de la simple création d'une forme ; elle consiste à optimiser la géométrie de la pièce afin de tirer pleinement parti des avantages de l'environnement sous vide. Bien que de nombreux principes soient communs avec le moulage conventionnel, certains sont particulièrement critiques. Pour réussir, une attention particulière aux caractéristiques telles que l'épaisseur des parois et les angles de dépouille est primordiale.

L'un des avantages de conception les plus significatifs est la possibilité de produire des pièces avec des parois plus minces. Étant donné que le vide réduit la contre-pression due à l'air emprisonné, le métal en fusion peut s'écouler et remplir des sections beaucoup plus minces que dans le moulage sous pression traditionnel. Une épaisseur de paroi minimale de 1 mm à 1,5 mm est souvent réalisable, bien que cela dépende de la taille de la pièce et du matériau. Il est essentiel de maintenir, autant que possible, une épaisseur de paroi uniforme afin d'assurer un refroidissement homogène et d'éviter des défauts tels que les déformations ou les marques de retrait. Lorsque des variations d'épaisseur sont nécessaires, les transitions doivent être progressives.

D'autres considérations clés de conception sont essentielles pour la qualité des pièces et leur aptitude à la fabrication :

• Angle de dépouille : Un angle de dépouille, généralement d'au moins 1 à 2 degrés, doit être intégré sur toutes les parois parallèles à la direction d'extraction du moule. Ce léger affaissement est crucial pour permettre l'éjection propre de la pièce finie du moule sans dommage ni déformation.
• Nervures et bossages : Pour renforcer les grandes surfaces planes sans augmenter l'épaisseur totale des parois, les concepteurs doivent intégrer des nervures. L'épaisseur d'une nervure devrait généralement être inférieure à 60 % de l'épaisseur de la paroi principale afin d'éviter les marques de retrait. De même, les bossages (utilisés pour le montage ou l'alignement) doivent suivre des règles d'épaisseur similaires.
• Congés et rayons : Les angles internes vifs sont une source de concentration de contraintes et peuvent entraver l'écoulement du métal. Des congés généreux et des rayons doivent être ajoutés à tous les angles afin d'améliorer l'intégrité structurelle de la pièce et de faciliter un écoulement plus fluide et plus uniforme du métal en fusion.
• Étanchéité du moule : Du point de vue de la conception des outillages, il est impératif que le moule puisse être hermétiquement scellé. Cela implique un usinage précis des deux moitiés du moule et inclut souvent l'intégration de joints toriques ou d'autres mécanismes d'étanchéité afin d'éviter la perte de vide pendant le cycle.

En respectant ces principes, les concepteurs peuvent créer des composants robustes, légers et complexes qui exploitent pleinement le procédé assisté par vide, ce qui se traduit par des rendements plus élevés et des performances supérieures.

Questions fréquemment posées

1. Quelle est la principale différence entre le moulage sous vide et le moulage sous pression traditionnel ?

La différence principale réside dans l'utilisation d'un vide pour extraire l'air et les gaz de la cavité du moule avant l'injection du métal en fusion. Le moulage sous pression traditionnel injecte le métal dans un moule rempli d'air, ce qui peut entraîner des emprisonnements d'air et provoquer de la porosité. Le moulage sous pression avec vide élimine cet air, produisant ainsi des pièces plus denses, plus résistantes, avec moins de défauts et une meilleure finition de surface.

2. Quels métaux conviennent au moulage sous pression assisté par vide ?

Le procédé est le plus souvent utilisé avec des alliages non ferreux ayant des points de fusion modérés. Cela inclut une large gamme d'alliages d'aluminium (comme l'A380), d'alliages de magnésium (pour des composants structurels légers) et d'alliages de zinc. Les métaux ferreux comme l'acier et le fer ne conviennent généralement pas en raison de leurs températures de fusion élevées, qui endommageraient l'outillage de moulage sous pression.

3. Le moulage sous vide peut-il éliminer toutes les porosités ?

Bien que le moulage sous vide réduise considérablement la porosité gazeuse à des niveaux quasi nuls, il ne permet pas d'éliminer toutes les formes de porosité. La porosité de retrait, par exemple, peut encore se produire en raison de la réduction du volume du métal lors de son refroidissement et de sa solidification. Toutefois, une conception appropriée de la pièce et du moule, incluant des systèmes de remplissage et de canaux optimisés, peut également contribuer à minimiser ce type de porosité.