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Injection de l'aluminium en fonderie sous pression chambre froide.

Il existe de nombreux procédés de fonderie en moule métallique (fonderie sous pression, moulage coquille, basse pression, centrifugation, squeeze casting, rheocasting… ). Pour les pièces en aluminium, au niveau mondial, la fonderie sous pression représente environ 60 % du tonnage alors que le moulage coquille en représente 35 % environ. Si certains procédés sont bien connus et largement diffusés, d’autres le sont beaucoup moins. Il nous a donc semblé utile de rappeler succinctement leur principe, leurs avantages et limitations respectifs et les marchés clients qu’ils adressent.

Les deux procédés les plus répandus parmi les procédés en moule métallique

On peut distinguer, en première approche, deux procédés très largement répandus au niveau industriel (fonderie sous pression, moulage coquille) par rapport à tous les autres  (centrifugation, basse pression, squeeze casting, rhéocasting…).  Ces procédés concernent majoritairement les alliages non ferreux à l’exception notable de la centrifugation.

Les alliages et les procédés de fonderie en moule métallique. valeur indicative (+++ très répandu au niveau mondial).

La fonderie sous pression

Machine à couler sous pression chambre froide.

La fonderie sous pression (High Pressure Die Casting) consiste à injecter le métal liquide à grande vitesse (50 m/s aux attaques) et à lui appliquer une très forte pression (80 à 100 MPa) pendant la solidification. Ce procédé est utilisé majoritairement pour réaliser des pièces en aluminium de deuxième fusion (AlSi9Cu3, AlSi12, AlSi10Mg…), mais également des alliages de zinc (zamak3, zamak5), des alliages de cuivre (laiton 60/40), des alliages de magnésium (AZ91) ou (plus rarement) des alliages de plomb. Deux types de chantiers de moulage sont utilisés : des presses dites à chambre froide (aluminium, magnésium, laiton, plomb) et des presses dites à chambre chaude (zamak, magnésium).

La fonderie sous pression présente de nombreux avantages : une forte productivité (temps de cycle court, forte automatisation),  des pièces à forte précision dimensionnelle (near-net-shape) et à faible épaisseur. C’est le process de fonderie le plus économique pour des grandes séries. En revanche, il présente un certain nombre de limitations : des porosités piégées pendant le remplissage, des caractéristiques mécaniques (statique et dynamique) en dessous de celles obtenues avec les autres procédés et l’impossibilité de réaliser des zones creuses non démoulables. Ce procédé a pour débouché majeur le marché automobile pour l’aluminium (blocs moteur, carter d’embrayage, colonne de direction, carter d’huile, …) et le magnésium (volant) mais est davantage diversifié au niveau des marchés clients pour les autres alliages (zamak, cuivreux, plomb).

Le moulage en coquille

Moulage en coquille des alliages d’aluminium -plateforme pilote de CTIF.

Historiquement plus ancien que la fonderie sous pression, le moulage en coquille (Gravity Die Casting) consiste à remplir par gravité un moule en acier (mono ou multi-empreintes). Ce procédé peut se pratiquer sur un chantier statique (ou basculant) ou sur un carrousel (grande série automobile) possédant 5 à 6 outillages identiques. Le moulage en coquille permet de mouler majoritairement des alliages d’aluminium de première fusion à faible teneur en fer (AlSi7Mg0.2, AlSi13…), mais également des cuivreux, des alliages divers (étain, plomb, magnésium) et de manière plus exceptionnel  des alliages ferreux (fonte chez NDC foundry). Le moulage en coquille permet de réaliser des pièces creuses en positionnant un noyau sable qui sera éliminé a posteriori (débourrage thermique ou mécanique), ce que n’autorise pas la fonderie sous pression.

Maître cylindre de frein aluminium en moulage coquille.

La bonne qualité des pièces (faible quantité de porosité inclus) permet de réaliser des traitements thermiques et d’augmenter ainsi les caractéristiques mécaniques (Rm, Rp0.2, allongement). Le moulage coquille,  deuxième procédé de fonderie en moule métallique (après la fonderie sous pression) est fortement utilisé dans le secteur automobile (pièce sollicitées ou nécessitant des noyaux) mais est utilisé également pour des pièces mécaniques sollicitées (mécanique, hydraulique, …). Par rapport à la fonderie sous pression, le coût des outillages est plus limité, ce qui permet de réaliser économiquement des séries plus réduite (quelques centaines de pièces).

Le moulage basse pression

Chantier basse pression Kurtz.

Le moulage basse pression (Low Pressure Die Casting) consiste à injecter verticalement (à faible vitesse) le métal liquide à partir d’un four placé sous le moule par l’intermédiaire d’un tube céramique (ou en fonte poteyé) via une pression d’un gaz neutre qui appliqué sur le métal liquide va le forcer à remonter dans le tube et à remplir l’empreinte. La basse pression, en croissance, est presque exclusivement réservée à la transformation des alliages d’aluminium. La qualité des pièces réalisées en basse pression est supérieure à celle des pièces en moulage coquille car le remplissage (de bas en haut) est très maîtrisé et permet une très bonne santé interne. On fabrique typiquement des jantes ou des culasses automobiles (avec noyaux sable) par ce procédé.

La centrifugation

Usine-de-Saint-Gobain-PAM – tuyau en fonte centrifugée.

La centrifugation consiste à mettre en rotation une coquille creuse (généralement cylindrique) et à y verser le métal liquide, qui, via la force centrifuge, va être alors plaqué contre les parois du moule où il va se solidifier. L’intérieur de la coquille peut être laissé sans protection (procédé « de LAVAUD ») ou bien recouvert par une fine couche de silice réfractaire (procédé WET SPRAY). Si le procédé est assez peu répandu, le tonnage produit est considérable car il est le procédé utilisé pour la production de tuyaux en fonte de grande taille pour l’adduction d’eau (Saint Gobain PAM). A côté de ce marché très important en tonnage, d’autres alliages peuvent être transformés par centrifugation (acier, cuivreux…).

L’axe de centrifugation peut être horizontal (le plus courant) ou vertical (moins répandu). La qualité des pièces est très bonne car la centrifugation permet de comprimer naturellement le métal. De plus, ce procédé permet de produire si besoin des CMM (Composites à Matrice Métallique) de manière assez aisée car les particules les plus lourdes sont plaquées vers les parois du moule. La principale limitation du moulage par centrifugation est liée à sa faible latitude à réaliser des pièces en dehors de formes simples de révolution.

Le COBAPRESS

Le COBAPRESS (comme COulée-BAsculée-PRESSée), procédé hybride mêlant fonderie et forge, consiste à réaliser tout d’abord une ébauche moulée en moulage coquille, puis une fois le système d’alimentation éliminée, à forger (après réchauffage) cette ébauche pour lui apporter un fibrage très bénéfique (comme en forge). Ce procédé, développé par Saint Jean Industries pour les alliages d’aluminium (AlSi7Mg0.3…), permet d’atteindre de très bonnes propriétés mécaniques après traitement thermique. De très nombreuses pièces automobiles, en particulier dans la liaison au sol, pour un grand nombre de constructeurs sont réalisées sur les différents sites du fondeur ou chez des partenaires licenciés. Deux variantes innovantes du procédé ont été développées : le COBAPRESS™ Optimal – pour « Optimized Alloy » – qui amène des caractéristiques mécaniques améliorées de l’ordre de +25% et le Hollow COBAPRESS qui permet d’optimiser poids et raideur tout en gardant les avantages du COBAPRESS.

Le rhéocasting

Thixomolding du magnésium – principe.

Le rhéocasting (ou Semi-Solid Casting pour transformation en phase semi-solide) est un procédé très peu répandu qui consiste à injecter le métal à l’état pâteux (dans l’intervalle liquidus-solidus) sur une machine à couler sous pression horizontale. Par rapport aux autres procédés de fonderie, les défauts de type retassures – qui sont créés dans l’intervalle liquidus-solidus – sont très fortement réduits et le temps de cycle est plus court qu’en fonderie sous pression (moins de chaleur libérée dans le moule). Le rhéocasting est dérivé du thixocasting (quasiment disparu) et présente l’avantage pour le fondeur de permettre la fabrication en interne de la matière semi-pâteuse (par brassage mécanique principalement). Seul le Thixomolding (brevet Thixomat et fournisseurs de machine JSW et Husky), qui consiste à injecter du magnésium à l’état pâteux sur une presse dérivée d’une presse plastique, s’est développé de manière conséquente en Asie (plusieurs centaines de machines) pour le marché électronique principalement (boîtier de caméra, de téléphones, …).

Le squeeze casting indirect

Indirect squeeze casting machine (principe HVSC).

Le squeeze casting indirect (Indirect Squeeze Casting) est un procédé de fonderie peu répandu (excepté en Asie) et dérivé de la fonderie sous pression dans lequel le métal est injecté à faible vitesse (0,5 m/s) dans le moule au travers d’une attaque très épaisse avec une très forte pression (> 100 à 150 MPa) pendant la solidification. L’attaque de coulée est ensuite éliminée par sciage. Ce procédé utilise majoritairement une injection verticale, ce qui permet d’évacuer l’air du conteneur machine de manière plus complète que l’injection horizontale (également quelquefois utilisé en squeeze casting). En Europe, certaines fonderies exploitent industriellement ce procédé (Eurocast Reyrieux).

Le squeeze casting permet de réaliser des pièces de qualité équivalente ou supérieure au moulage coquille avec une forte précision dimensionnelle (near-net-shape) avec traitement thermique si nécessaire. Le squeeze casting indirect est utilisé pour la production de pièces automobiles en aluminium.

Le squeeze casting direct

Support moteur – forgeage liquide aluminium- Teksid.

Le squeeze casting direct (Direct Squeeze Casting) est un procédé de fonderie très peu répandu (excepté en Asie) qui consiste à remplir une matrice inférieure d’aluminium liquide et à venir presser cette matrice avec une matrice supérieure pour lui donner la forme de pièce souhaitée. Ce procédé permet de ne pas avoir de système d’alimentation, mais nécessite de doser avec une grande précision le métal versé dans la matrice inférieure, faute d’avoir une forte variation d’épaisseur de pièce. Ce procédé permet d’obtenir des pièces précises (near-net-shape) avec de très bonnes propriétés mécaniques. En France, Renault a longtemps exploité ce procédé sous la dénomination de forgeage liquide.

Les autres procédés de fonderie en moule métallique

Il existe également d’autres procédés de fonderie en moule métallique très peu développés ou propriétaires (breveté et commercialisé par une seule entreprise pour ses productions internes). On peut citer (sans vouloir être exhaustif) les procédés New Injection Die Casting, PCPC (Pressure Counter Pressure Casting), Tridem Process. Bien d’autres process existent encore, dont certains diffèrent seulement à la marge des procédés traditionnels.

Comparatif des procédés

Il est tentant de vouloir comparer les différents procédés entre eux. Mais l’exercice n’est pas si trivial qu’il n’en a l’air car souvent une pièce est optimisée pour un type de procédé de fabrication. (alliage, géométrie, TTH, …). Un changement de procédé nécessite la plupart du temps de retravailler la géométrie d’une pièce (épaisseur mini/maxi, tolérance dimensionnelle…).

Lien dans cet article : Nous avons mis des liens vers les fonderies françaises qui réalisent des pièces par les différents procédés évoqués dans le texte.