Modèle (moulage)

En fonderie , un modèle est une réplique de l'objet à couler, utilisée pour former la cavité du moule en sable dans laquelle le métal en fusion est versé pendant le processus de coulée. Une fois que le modèle a été utilisé pour former la cavité du moule en sable, le modèle est ensuite retiré, le métal en fusion est ensuite versé dans la cavité du moule en sable pour produire la pièce moulée. Le modèle n'est pas consommable et peut être réutilisé pour produire d'autres moules en sable presque indéfiniment.

Étant donné que presque tous les métaux se contractent ou rétrécissent lorsque leur température baisse, les modèles de moulage doivent être plus grands que la pièce moulée qu'ils produiront. La contraction d'une pièce moulée en aluminium est d'environ 1,3 %, par exemple, de sorte que le modèle d'une pièce moulée en aluminium sera 1,3 % plus grand que la pièce moulée elle-même.

Les modèles utilisés dans la coulée au sable peuvent être en bois, en métal, en plastique ou en d'autres matériaux. Les modèles sont fabriqués selon des normes de construction rigoureuses, afin qu'ils puissent durer pendant une durée raisonnable, en fonction du niveau de qualité du modèle construit, et afin qu'ils fournissent de manière répétable un moulage aux dimensions acceptables.

La fabrication de patrons, appelée modélisme (parfois appelée modélisme ou fabrication de patrons ), est un métier spécialisé qui est lié aux métiers de la fabrication d'outils et de matrices et de la fabrication de moules , mais qui intègre aussi souvent des éléments de menuiserie fine . Les modélistes (parfois appelés modélistes ou modélistes ) acquièrent leurs compétences par le biais d'apprentissages et d'écoles professionnelles au cours de nombreuses années d'expérience. Bien qu'un ingénieur puisse aider à concevoir le modèle, c'est généralement un modéliste qui exécute la conception.

En général, les matériaux utilisés pour la fabrication de modèles sont le bois, le métal ou le plastique. La cire et le plâtre de Paris sont également utilisés, mais uniquement pour des applications spécialisées. Le bois de pin à sucre est le matériau le plus couramment utilisé pour les modèles, principalement parce qu'il est doux, léger et facile à travailler. L'acajou du Honduras a été utilisé pour davantage de pièces de production car il est plus dur et durerait plus longtemps que le pin. Une fois correctement séché, il est à peu près aussi stable que n'importe quel bois disponible, non sujet à la déformation ou au gondolage. Une fois le modèle construit, la fonderie ne veut pas qu'il change de forme. Le véritable acajou du Honduras est plus difficile à trouver maintenant en raison de la décimation des forêts tropicales, il existe donc maintenant une variété de bois commercialisés sous le nom d' acajou . Les modèles en fibre de verre et en plastique ont gagné en popularité ces dernières années car ils sont imperméables et très durables. Les modèles en métal sont durables et ne succombent pas à l'humidité, mais ils sont plus lourds, plus chers et difficiles à réparer une fois endommagés.

Les modèles en cire sont utilisés dans un procédé de moulage alternatif appelé moulage à la cire perdue . Une combinaison de cire de paraffine , de cire d'abeille et de cire de carnauba est utilisée à cette fin. Dans ce cas, le « modèle » en cire est fondu à partir de la cavité du moule qui est normalement un matériau rigide semblable à du plâtre plutôt que du sable, de sorte que le « modèle » en cire ne peut être utilisé qu'une seule fois.

Le plâtre de Paris est généralement utilisé dans la fabrication de matrices et de moules principaux, car il acquiert rapidement de la dureté, avec beaucoup de flexibilité lors de la phase de prise.

Le modéliste ou l'ingénieur de fonderie décide de l'emplacement des carottes , des systèmes de coulée et des colonnes montantes par rapport au modèle. Lorsqu'un trou est souhaité dans une pièce moulée, un noyau peut être utilisé pour définir un volume ou un emplacement dans une pièce moulée dans lequel le métal ne s'écoulera pas. Parfois, des refroidisseurs peuvent être placés sur une surface de modèle avant le moulage, qui sont ensuite formés dans le moule en sable. Les refroidisseurs sont des dissipateurs de chaleur qui permettent un refroidissement rapide localisé. Le refroidissement rapide peut être souhaité pour affiner la structure du grain ou déterminer la séquence de congélation du métal fondu qui est versé dans le moule. Comme ils sont à une température beaucoup plus froide et souvent un métal différent de celui qui est versé, ils ne se fixent pas à la pièce moulée lorsque celle-ci refroidit. Les refroidisseurs peuvent ensuite être récupérés et réutilisés.

La conception du système d'alimentation et de distribution est généralement appelée conception de méthodes . Elle peut être réalisée manuellement, de manière interactive à l'aide d'un logiciel de CAO à usage général, ou de manière semi-automatique à l'aide d'un logiciel spécialisé (tel qu'AutoCAST ) .

Les motifs sont faits de bois, de métal, de céramique ou de plastique dur et varient en complexité.

Le modèle monobloc, ou modèle en vrac, est le plus simple. Il s'agit d'une réplique de la pièce moulée souhaitée, généralement dans une taille légèrement plus grande pour compenser la contraction du métal prévu. Les modèles à grille relient un certain nombre de modèles en vrac avec une série de canaux qui seront détachés après le démoulage. Les modèles segmentés ou à plusieurs pièces créent une pièce moulée en plusieurs pièces à assembler en post-traitement.

Les modèles de plaques de correspondance sont des modèles dont les parties supérieure et inférieure du modèle, également appelées parties de coupe et de traînée, sont montées sur les côtés opposés d'une planche. Cette adaptation permet de mouler rapidement les modèles à partir du matériau de moulage. Une technique similaire appelée modèle de coupe et de traînée est souvent utilisée pour les grandes pièces moulées ou les grandes séries de production : dans cette variante, les deux côtés du modèle sont montés sur des plaques de modèle séparées qui peuvent être raccordées à des machines horizontales ou verticales et moulées avec le matériau de moulage. Lorsque les lignes de séparation entre la coupe et la traînée sont irrégulières, une planche de suivi peut être utilisée pour soutenir les modèles lâches de forme irrégulière.

Les motifs de balayage sont utilisés pour les moules symétriques, qui sont des formes profilées tournées autour d'un axe central ou d'un pôle à travers le matériau de moulage. Un motif de balayage est une forme de motif squelette : tout motif géométrique qui crée un moule en étant déplacé à travers le matériau de moulage.

Le modèle squelette entre en jeu lorsque l'ensemble de la configuration en bois ou en métal est plus coûteux. Il est généralement fabriqué en une seule pièce avec quelques espaces vides laissés non remplis et ces parties non remplies sont remplies ou recouvertes par du sable limoneux ou de l'argile. Une planche à gratter ou une planche à gratter est utilisée pour gratter l'excès d'argile si elle est appliquée sur les espaces. Par exemple, les boîtiers de turbine, les coudes de tuyaux de sol et d'eau, les corps de vannes et les boîtes.

Pour compenser les changements dimensionnels qui se produiront pendant le processus de refroidissement (solide), des tolérances sont généralement prévues dans le modèle.

Presque tous les métaux rétrécissent volumétriquement pendant la solidification, ce que l'on appelle le retrait liquide. Une autre façon de le dire est que presque tous les métaux subissent une augmentation de volume lors de la fusion, ou température de liquidus. Le « retrait volumique » typique se situe dans la plage de 3,5 % à 10,0 % selon l'alliage. Certaines fontes graphitiques, lorsqu'elles sont coulées en sections plus lourdes, dans des conditions bien contrôlées, peuvent présenter un léger rendement positif. Le métal type est également connu et utilisé pour sa capacité à maintenir une coulée vraie et nette, et à conserver des dimensions correctes après refroidissement. Normalement, lors de la fabrication de pièces moulées techniques, la « méthode » est conçue en même temps que le modèle, à savoir la taille de la colonne montante, le nombre de colonnes montantes et l'emplacement des colonnes montantes. De plus, les descentes de coulée, les barres de coulée et les entrées de coulée sont également conçues dans « la méthode ». La « méthode » garantit ainsi que le métal fondu est livré, le moule rempli correctement et les colonnes montantes remplies pour « alimenter » le « volume rétrécissant » de liquide dans la pièce moulée pendant la solidification. Cette « méthode » est réalisée par un « ingénieur méthodes », qui peut être un modéliste (avec une formation supplémentaire), un ingénieur fondeur ou un métallurgiste qui connaît le concept d'augmentation/perte de volume associé à la fusion et au moulage/solidification. Exemple : supposons que l'acier ait une densité de 7,85 (solide) et un retrait de 6 %, ou mieux dit, une augmentation de volume de 6 % à l'état fondu. Un moule a été fabriqué pour couler un bloc de 100 kg, en fonction de la densité solide de l'acier. La densité liquide de l'acier n'est que de 94 % de celle de sa valeur de densité solide - environ 7,38 à l'état liquide. Ainsi, lorsque le bloc de 100 kg (calcul solide) est rempli de liquide, il contient une masse de seulement 94 kg. Les 6 kg doivent être fournis par un « riser » ou un « feeder » pendant la solidification - ainsi l'objet solide a maintenant une masse de 100 kg. La méthode est un système permettant de gérer la perte de volume pendant la solidification. Il ne s'agit (techniquement) pas d'une tolérance.

Cette taille supplémentaire qui est donnée sur le modèle pour la contraction du métal est appelée « la tolérance de contraction ». Ces valeurs sont généralement comprises entre 0,6 % et 2,5 %. Ceci est pris en compte à l'aide d'une règle de contraction , qui est une règle surdimensionnée . Les règles de contraction sont généralement disponibles pour les alliages courants coulés industriellement. Alternativement, le modéliste ajoutera simplement un pourcentage nominatif à toutes les dimensions. Un exemple de cette tolérance - si une bague devait avoir un diamètre extérieur de 1500 mm, un diamètre intérieur de 1000 mm et une hauteur de 300 mm en utilisant une règle de contraction de 2 % : Le modéliste fabriquerait le modèle avec un diamètre extérieur de 1530 mm (car il se contractera vers l'intérieur), un diamètre intérieur de 1020 mm (car le matériau a tendance à se contracter vers le centre ou le centre de gravité) - il est important de noter que la tolérance est ajoutée même au diamètre intérieur car le matériau a tendance à entrer en contact avec le centre. Le noyau utilisé est soit constitué de sable pliable, soit doté d'un espace creux suffisant au centre du noyau pour permettre au métal de se dilater. Finalement, la dimension de hauteur serait de 306 mm.

La quantité de contraction peut également varier légèrement en fonction du système de sable utilisé pour le moule et les noyaux, par exemple du sable lié à l'argile, des sables liés chimiquement ou d'autres matériaux de liaison utilisés dans le sable. Les valeurs exactes peuvent varier d'une fonderie à l'autre en raison des systèmes de sable utilisés. Chaque fonderie, en évaluant ses propres modèles et pièces moulées, peut affiner ses propres tolérances de contraction.

Le retrait et la contraction peuvent être classés en retrait liquide et en contraction solide . Le retrait liquide est la réduction de volume pendant le processus de solidification (liquide à solide), le retrait liquide est représenté par les colonnes montantes. La contraction solide est la réduction des dimensions pendant le refroidissement du métal coulé (solide). La marge de contraction ne prend en compte que la contraction solide.

Lorsque le modèle doit être retiré du moule en sable, il est possible que les bords d'attaque se cassent ou soient endommagés au cours du processus. Pour éviter cela, un cône est prévu sur le modèle, de manière à faciliter le retrait du modèle du moule et donc à réduire les dommages aux bords. L'angle de cône fourni est appelé angle de dépouille . La valeur de l'angle de dépouille dépend de la complexité du modèle, du type de moulage (moulage à la main ou moulage à la machine), de la hauteur de la surface, etc. Le dépouille prévu sur la pièce moulée est généralement de 1 à 3 degrés sur les surfaces externes (5 à 8 surfaces internes).

La finition de surface obtenue dans les pièces moulées au sable est généralement médiocre (dimensions inexactes) et, par conséquent, dans de nombreux cas, le produit moulé est soumis à des processus d'usinage tels que le tournage ou le meulage afin d'améliorer la finition de surface. Au cours des processus d'usinage, une partie du métal est retirée de la pièce. Pour compenser cela, une surépaisseur d'usinage (matériau supplémentaire parfois appelé vert) doit être ajoutée à la pièce moulée. La ​​quantité de surépaisseur de finition dépend du matériau de la pièce moulée, de la taille de la pièce moulée, du volume de production, de la méthode de moulage, etc.

En général, lors du retrait du modèle de la cavité du moule, le modèle est frappé tout autour des faces, afin de faciliter le retrait. Dans ce processus, la cavité finale est agrandie. Pour compenser cela, les dimensions du modèle doivent être réduites. Il n'existe pas de valeurs standard pour cette tolérance, car elle dépend fortement du personnel. Cette tolérance est une tolérance négative, et une façon courante de la contourner est d'augmenter la tolérance de dépouille. Le fait de secouer le modèle provoque un élargissement de la cavité du moule et donne une pièce plus grande.

Lors du refroidissement du moule, les contraintes développées dans le métal solide peuvent induire des déformations dans la pièce moulée. Cela est plus évident lorsque le moule est plus fin en largeur par rapport à sa longueur. Cela peut être éliminé en déformant initialement le motif dans la direction opposée.

Les modèles continuent d'être nécessaires pour la coulée au sable des métaux. Pour la production de pièces moulées en fonte grise, en fonte ductile et en acier, la coulée au sable reste le procédé le plus utilisé. Pour les pièces moulées en aluminium, la coulée au sable représente environ 12 % du tonnage total en poids (dépassée uniquement par la coulée sous pression à 57 % et par les moules semi-permanents et permanents à 19 % ; sur la base des expéditions de 2006). Le procédé exact et l'équipement de moulage sont toujours déterminés par les quantités commandées et la conception de la pièce moulée. La coulée au sable peut produire aussi peu qu'une seule pièce, ou jusqu'à un million d'exemplaires.

Bien que les techniques de fabrication additive telles que le SLS ou le SLM puissent remplacer le moulage dans certaines situations de production, le moulage est encore loin d'être complètement remplacé. Partout où il offre des propriétés de matériaux adaptées à un coût unitaire compétitif , il restera demandé.