moulage sous pression

L'équipement de moulage sous pression a été inventé en 1838 pour la production de caractères mobiles destinés à l' industrie de l'imprimerie . Le premier brevet relatif au moulage sous pression a été accordé en 1849 pour une petite machine manuelle permettant la production mécanisée de caractères d'imprimerie. En 1885, Ottmar Mergenthaler inventa la Linotype , qui coulait une ligne complète de caractères en une seule opération, grâce à un procédé de moulage sous pression . Elle remplaça presque entièrement la composition manuelle dans l'industrie de l'édition. La machine de moulage sous pression Soss, fabriquée à Brooklyn (New York), fut la première à être commercialisée en Amérique du Nord. D'autres applications se développèrent rapidement, le moulage sous pression facilitant la croissance de la production de biens de consommation et d'appareils électroménagers en réduisant considérablement le coût de production de pièces complexes en grande série. En 1966, General Motors lança le procédé Acurad .

Les principaux alliages utilisés pour la fonderie sous pression sont : le zinc , l’aluminium, le magnésium, le cuivre, le plomb et l’étain ; bien que moins courant, le moulage sous pression d’alliages ferreux est également possible. Parmi les alliages spécifiques utilisés pour la fonderie sous pression, on trouve : le zinc-aluminium ; l’aluminium conforme, par exemple, aux normes de l’Association de l’aluminium (AA) : AA 380, AA 384, AA 386, AA 390 ; et le magnésium AZ91D. Voici un résumé des avantages de chaque alliage :

• Zinc : métal le plus facile à couler ; haute ductilité ; haute résistance aux chocs ; facile à plaquer ; économique pour les petites pièces ; favorise une longue durée de vie des matrices.
• Aluminium : léger ; grande stabilité dimensionnelle pour des formes très complexes et des parois minces ; bonne résistance à la corrosion ; bonnes propriétés mécaniques ; conductivité thermique et électrique élevée ; conserve sa résistance à des températures modérément élevées.
• Magnésium : métal le plus facile à usiner ; excellent rapport résistance/poids ; alliage le plus léger couramment moulé sous pression.
• Cuivre : dureté élevée ; haute résistance à la corrosion ; propriétés mécaniques supérieures des alliages moulés sous pression ; excellente résistance à l’usure ; excellente stabilité dimensionnelle ; résistance proche de celle des pièces en acier.
• Tombac au silicium : alliage à haute résistance composé de cuivre, de zinc et de silicium. Souvent utilisé comme alternative aux pièces en acier moulées à la cire perdue.
• Plomb et étain : haute densité ; précision dimensionnelle extrême ; utilisés pour des applications spécifiques de résistance à la corrosion. Ces alliages ne sont pas utilisés dans le secteur alimentaire pour des raisons d’hygiène publique . Le métal d’imprimerie, un alliage de plomb, d’étain et d’antimoine (avec parfois des traces de cuivre), sert à la fonte des caractères composés à la main pour l’ impression typographique et le marquage à chaud. Traditionnellement coulé à la main dans des moules à secousses, il est aujourd’hui majoritairement coulé sous pression suite à l’industrialisation des fonderies de caractères. des machines de coulée en lingots a permis une automatisation accrue, avec parfois des dizaines de machines de ce type dans un seul journal.

Les limites de poids maximales pour les pièces moulées en aluminium, laiton , magnésium et zinc sont estimées respectivement à , livres) , livres) et livres) . Fin 2019, des presses capables de mouler sous pression des pièces uniques de plus de étaient utilisées pour produire des composants de châssis en aluminium pour automobiles

Le matériau utilisé détermine l’épaisseur minimale de section et le dépouillement minimal requis pour une pièce moulée, comme indiqué dans le tableau ci-dessous. L’épaisseur maximale doit être inférieure à po) , mais peut être supérieure.

Plusieurs caractéristiques géométriques doivent être prises en compte lors de la création d'un modèle paramétrique d'une pièce moulée sous pression :

• Le dépouillement correspond à l'inclinaison ou à la conicité donnée aux noyaux ou autres parties de la cavité du moule afin de faciliter l'éjection de la pièce moulée. Toutes les surfaces moulées sous pression parallèles à la direction d'ouverture du moule nécessitent un dépouillement pour une éjection correcte. Les pièces moulées sous pression présentant un dépouillement approprié sont plus faciles à démouler et offrent des surfaces de haute qualité ainsi qu'un produit fini plus précis.
• Un congé est la jonction courbe de deux surfaces qui, autrement, se rejoindraient en un angle ou une arête vive. En termes simples, on peut ajouter des congés à une pièce moulée sous pression pour éliminer les arêtes et les angles indésirables.
• La ligne de joint représente le point de rencontre des deux côtés différents d'un moule. Son emplacement détermine quel côté de la matrice est le couvercle et quel côté est l'éjecteur.
• Des bossages sont ajoutés aux pièces moulées sous pression pour servir d'entretoises et de points de fixation pour les pièces à monter. Pour une intégrité et une résistance maximales de la pièce moulée, l'épaisseur des bossages doit être uniforme.
• Des nervures sont ajoutées à une pièce moulée sous pression pour fournir un soutien supplémentaire aux conceptions exigeant une résistance maximale sans augmentation de l'épaisseur des parois.
• Lors du moulage sous pression, les trous et les fenêtres nécessitent une attention particulière car leurs contours adhèrent à l'acier du moule pendant la solidification. Pour compenser cet effet, il convient d'ajouter un dépouillement important aux trous et aux fenêtres.

Il existe deux types principaux de machines de moulage sous pression : les machines à chambre chaude et les machines à chambre froide . Leur puissance est déterminée par la force de serrage qu’elles peuvent appliquer. Les valeurs typiques se situent entre kg) .

moulage sous pression en chambre chaude

Le moulage sous pression à chambre chaude, également appelé moulage à col de cygne , utilise un bain de métal en fusion pour alimenter le moule. Au début du cycle, le piston de la machine est rétracté, permettant ainsi au métal en fusion de remplir le col de cygne. Le piston, actionné pneumatiquement ou hydrauliquement , propulse ensuite ce métal hors du col de cygne et dans le moule. Ce système présente l'avantage d'une cadence de production rapide (environ 15 cycles par minute) et de la possibilité de fondre le métal directement dans la machine. Ses inconvénients résident dans sa limitation aux métaux à bas point de fusion et dans l'impossibilité d'utiliser l'aluminium, celui-ci absorbant une partie du fer présent dans le bain de fusion. De ce fait, les moulages à chambre chaude sont principalement utilisés avec des alliages à base de zinc, d'étain et de plomb.

moulage sous pression en chambre froide

Ces machines sont utilisées lorsque l'alliage de fonderie ne peut être employé dans les machines à chambre chaude ; il s'agit notamment des alliages d'aluminium et de zinc à forte teneur en aluminium, magnésium et cuivre. Le procédé commence par la fusion du métal dans un four séparé . Une quantité précise de métal en fusion est ensuite transportée vers la machine à chambre froide où elle est introduite dans une chambre d'injection non chauffée. Cette grenaille est alors injectée dans le moule par un piston hydraulique ou mécanique. Le principal inconvénient de ce système réside dans la durée du cycle, plus longue en raison du transfert du métal en fusion du four vers la machine à chambre froide

Outillage ouvert et buse d'injection
• 
  Cellule de travail complète

Deux matrices sont utilisées en fonderie sous pression : la matrice de couverture et la matrice d’éjection. Leur point de jonction est appelé ligne de joint . La matrice de couverture contient le canal d’alimentation (pour les machines à chambre chaude) ou l’orifice d’injection (pour les machines à chambre froide), permettant au métal en fusion de s’écouler dans la matrice ; cet élément correspond à la buse d’injection sur les machines à chambre chaude ou à la chambre d’injection sur les machines à chambre froide. La matrice d’éjection contient les éjecteurs et généralement le canal de coulée , qui relie le canal d’alimentation ou l’orifice d’injection à la cavité du moule. La matrice de couverture est fixée au plateau fixe (ou avant) de la machine de fonderie, tandis que la matrice d’éjection est fixée au plateau mobile. La cavité du moule est découpée en deux inserts , pièces séparées et facilement interchangeables, boulonnées aux deux moitiés de matrice.

Les matrices sont conçues de manière à ce que la pièce moulée finie glisse hors de la moitié supérieure de la matrice et reste dans la moitié inférieure lors de l'ouverture de celle-ci. Ceci garantit l'éjection de la pièce à chaque cycle, car la moitié inférieure contient les éjecteurs qui la poussent hors de la matrice. Les éjecteurs sont actionnés par une plaque qui les actionne simultanément et avec la même force, évitant ainsi d'endommager la pièce. La plaque rétracte également les éjecteurs après l'éjection afin de préparer le cycle suivant. Le nombre d'éjecteurs doit être suffisant pour limiter la force exercée sur chaque éjecteur, car la pièce est encore chaude et une force excessive pourrait l'endommager. Les éjecteurs laissent une marque ; leur positionnement doit donc être adapté pour ne pas nuire à la fonction de la pièce moulée.

Parmi les autres composants d'un moule, on trouve les noyaux et les coulisseaux . Les noyaux servent généralement à réaliser des trous ou des ouvertures, mais ils peuvent aussi être utilisés pour créer d'autres détails. Il existe trois types de noyaux : fixes, mobiles et libres. Les noyaux fixes sont orientés parallèlement au sens d'extraction du moule (c'est-à-dire le sens d'ouverture du moule) et sont donc fixés de manière permanente au moule. Les noyaux mobiles sont orientés autrement que parallèlement au sens d'extraction. Ces noyaux doivent être retirés de la cavité du moule après la solidification de la pièce, mais avant l'ouverture du moule, à l'aide d'un mécanisme spécifique. Les coulisseaux sont similaires aux noyaux mobiles, à la différence qu'ils servent à former des contre-dépouilles . L'utilisation de noyaux mobiles et de coulisseaux augmente considérablement le coût des moules. Les noyaux libres, également appelés noyaux d'extraction , sont utilisés pour mouler des éléments complexes, tels que des trous taraudés . Ces noyaux libres sont insérés manuellement dans le moule avant chaque cycle, puis éjectés avec la pièce à la fin du cycle. Le noyau doit ensuite être retiré manuellement. Les noyaux non fixés sont les plus coûteux en raison de la main-d'œuvre supplémentaire et du temps de cycle plus long. Les matrices comportent également des canaux de refroidissement par eau et des évents le long des lignes de joint . Ces évents sont généralement larges et fins (environ pouce ) afin que, lorsque le métal en fusion commence à les remplir, il se solidifie rapidement et minimise les rebuts. Aucun système de masselottes n'est utilisé car la haute pression assure une alimentation continue en métal depuis la zone d'injection.

Les propriétés les plus importantes des matériaux pour les moules sont la résistance aux chocs thermiques et le ramollissement à haute température ; parmi les autres propriétés importantes figurent la trempabilité , l’usinabilité , la résistance à la fissuration thermique, la soudabilité, la disponibilité (en particulier pour les moules de grande taille) et le coût. La durée de vie d’un moule dépend directement de la température du métal en fusion et du temps de cycle. Les moules utilisés en fonderie sous pression sont généralement fabriqués en aciers à outils trempés , car la fonte ne supporte pas les pressions élevées mises en jeu ; par conséquent, les moules sont très coûteux, ce qui engendre des coûts de démarrage élevés. Les métaux coulés à haute température nécessitent des moules en aciers fortement alliés .

Le principal mode de défaillance des moules de fonderie sous pression est l'usure ou l'érosion . Les autres modes de défaillance sont la fissuration thermique et la fatigue thermique . La fissuration thermique se produit lorsque des fissures superficielles apparaissent sur le moule en raison d'une variation de température importante à chaque cycle. La fatigue thermique se produit lorsque des fissures superficielles apparaissent sur le moule en raison d'un grand nombre de cycles.

Voici les quatre étapes du moulage sous pression traditionnel , également connu sous le nom deLe moulage sous pression repose sur les étapes suivantes : préparation du moule, remplissage, éjection et éjection. La préparation consiste à pulvériserun lubrifiant. Ce lubrifiant permet de contrôler la température du moule et facilite le démoulage. Les moules sont ensuite fermés et le métal en fusion y est injecté sous haute pression, entrepsi). Une fois la cavité remplie, la pression est maintenue jusqu’à solidification. Les moules sont alors ouverts et la pièce (une pièce moulée peut contenir plusieurs cavités, permettant ainsi de produire plusieurs pièces par injection) est éjectée par les éjecteurs. Enfin, l’éjection consiste à séparer les rebuts, notamment lecanal d’canaux,lescarottesetles bavures, de la pièce moulée. Cette opération est souvent réalisée à l’aide d’un outil d’ébavurage spécial sur une presse mécanique ou hydraulique. D'autres méthodes d'écrémage comprennent le sciage et le meulage. Une méthode moins laborieuse consiste à égrener les pièces si les canaux d'alimentation sont fins et fragiles ; il faut ensuite séparer les canaux d'alimentation des pièces finies. Ces déchets sont recyclés par refonte. Le rendement est d'environ 67 %.

L'injection à haute pression permet un remplissage rapide du moule, indispensable pour que la cavité soit entièrement remplie avant la solidification de la pièce. On évite ainsi les discontinuités , même pour les formes complexes comportant des zones fines difficiles à remplir. Ce procédé engendre un risque d'emprisonnement d'air, car le remplissage rapide du moule ne laisse que peu de temps à l'air pour s'échapper. L'intégration d'évents le long des lignes de joint permet de minimiser ce problème ; cependant, même avec un procédé très perfectionné, une certaine porosité subsiste au centre de la pièce.

La plupart des fondeurs sous pression effectuent d'autres opérations secondaires pour produire des caractéristiques qui ne peuvent pas être facilement moulées, comme le taraudage d'un trou, le polissage, le plaquage, le lustrage ou la peinture.