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Noyau en ceramique par impression 3D pour la fonderie cire perdue.

La fabrication additive céramique se développe pour des applications en fonderie. Dans cet article, nous rappelons le principe des technologies conventionnelles de fabrication des céramiques avant de détailler les nouvelles technologies de fabrication additive céramique ainsi que leurs applications en fonderie en particulier pour les noyaux en cire perdue.

Un matériau céramique

Un matériau céramique est défini comme étant un matériau non métallique et non organique obtenu par l’action de fortes températures. Ce sont ces fortes températures qui induisent, au cœur de la matière première, une transformation irréversible qui confère à la céramique ses propriétés finales (résistance à la chaleur, propriétés isolantes, solidité, résistance mécanique, …). Les domaines d’applications des céramiques sont larges. On pense, en premier lieu, aux arts de la table avec les faïences, les porcelaines, les grès, le verre et les émaux obtenus à partir de matières première naturelles comme les argiles, le sable ou le feldspath. La céramique et les matériaux minéraux sont aussi très présents dans les domaines du bâtiment et de la construction avec le carrelage, les terres cuites, les céramiques sanitaires mais également le plâtre, le ciment ou le béton.

Dans le domaine des céramiques techniques, on peut citer, de manière non exhaustive, les biomatériaux (avec l’exemple des implants orthopédiques ou osseux) ou les matériaux pour l’aéronautique ou le spatial, avec des céramiques aux propriétés thermiques extrêmes. Les céramiques sont utilisées dans de nombreux domaines industriels pour leurs propriétés électriques ou de supraconducteur, avec des structures modulables selon le type d’utilisation par exemple comme support catalytique en structure nid d’abeilles ou de massifs poreux pour la filtration des alliages en fonderie.

Procédés de mise en forme conventionnels des céramiques

Dans les procédés de mise en forme conventionnelle des céramiques, les matières premières sont généralement sous forme de poudres auxquelles sont ajoutées différents solvants et additifs (selon les besoins du matériau et du procédé). On les trouve sous forme de granules, de suspensions liquides ou de pâtes malléables selon le procédé de mise en forme des pièces à obtenir. Les procédés les plus utilisés sont le pressage, le coulage, l’extrusion ou encore l’injection. Les pièces dites crues obtenues subissent différents traitements thermiques allant du séchage au déliantage (qui est l’action d’éliminer les éléments organiques généralement issus des additifs) pour finir par un frittage (traitement thermique haute température) permettant la densification de la céramique et lui conférant ses propriétés finales.

L’intérêt des céramiques en fonderie

Les matériaux céramiques possèdent des propriétés intéressantes pour la mise en forme du métal en particulier grâce à leur propriété de réfractarité et de tenue aux chocs thermiques. Ces  propriétés thermiques ainsi que l’inertie chimique face au métal fondu font des matériaux céramiques des candidats idéaux en fonderie en tant que matériaux de moulage. On trouve ainsi les matériaux céramiques sous forme de sable pour les procédés de moulage en sable à prise chimique avec de la silice, du zircon, de la chromite ou des sables synthétiques (Cerabeads,…).

Les propriétés de plasticité et de consolidation des argiles sont utilisées pour créer les liaisons entre les grains de sable dans les procédés de sable à vert. Dans le procédé de moulage en cire perdue, la carapace, construite couche par couche est constituée de farines et de sables céramiques de compositions variables (zircon, alumine, mullite et autres matériaux silico-alumineux…). Les noyaux utilisés dans ces procédés de moulage de précision doivent avoir des propriétés proches de celles de la carapace et sont généralement composés des mêmes types de matériaux à faibles coefficients de dilatations.

La fabrication additive : les différents procédés

Les technologies de fabrication additive ont toutes en commun de permettre la construction, couche par couche, par ajout de matière, de pièces de formes complexes. La reconstruction couche par couche, se fait à partir d’un fichier numérique 3D. Le principal avantage est la réalisation de pièces de haut niveau de complexité, proches de leurs côtes finales, sans qu’il y ait besoin de développer un outillage spécifique. La fabrication additive englobe sept process distincts. Les pièces peuvent être créées couche par couche en extrudant, éjectant, photopolymérisant, laminant ou fusionnant des matériaux. Les matières premières disponibles pour les procédés de fabrication additive sont sous forme de filaments, de pâtes, de liquides, de poudres (procédé SLM pour les métaux par exemple), de granulés et de feuilles et concerne aussi bien la fabrication additive polymère que métallique ou céramique.

La fabrication additive des céramiques, les étapes de fabrication

Les technologies propres aux céramiques couvrent aujourd’hui l’ensemble de ces classes. La fabrication additive céramique utilise les mêmes process de conception et fabrication que ceux utilisés pour des pièces plastiques ou métalliques. Dans le cas particulier des matériaux céramiques, la forme des matières premières pour la distribution du matériau est assez libre puisqu’elle peut être sous forme de poudre, de pâte ou de suspension. Selon la forme initiale de la matière première, la cohésion de la pièce doit passer par une étape de préfrittage, de polymérisation ou d’ajout d’un liant. Comme dans les procédés de mise en forme de céramiques conventionnelles, une étape de traitement thermique est obligatoire pour éliminer les additifs et consolider la pièce par frittage. Les éventuelles déformations et le retrait au frittage sont à considérer lors de l’étape de CAO.

La fabrication additive céramique par stéréolitographie

La stéréolithographie (SLA « StereoLithography Apparatus ») utilise des polymères liquides photosensibles polymérisés à la lumière. Dans le cas de fabrication additive céramique, une suspension à base de poudre céramique et de résine photosensible est utilisée. La polymérisation de la résine par un laser UV permet la consolidation instantanée des zones désignées permettant ainsi la réalisation de la pièce aux formes souhaitées couche par couche. Un nettoyage est ensuite nécessaire pour éliminer la suspension non polymérisée suivi d’un déliantage et d’un frittage pour obtenir la pièce finale. L’impression par la technologie SLA permet de produire des géométries complexes avec des tolérances dimensionnelles serrées et une surface lisse.

La fabrication additive céramique par « Direct Light Processing »

Dans le cas de la technologie DLP (« Direct Light Processing »), dérivée de la stéréolithograpie, la polymérisation de la résine se fait par une exposition sélective à la lumière visible. Une couche de suspension chargée de céramique et de résine est déposée sur la surface de cuve transparente. La plate-forme se déplace pour entrer en contact avec la suspension qui est alors exposée à la lumière visible par le bas de la cuve. L’image de la couche générée par projection de lumière sur une zone sélective. Ces étapes sont alors répétées jusqu’à obtention de la pièce qui nécessitera ensuite un déliantage et un frittage pour obtenir à ses caractéristiques finales.

La fabrication additive céramique par « binder jetting »

Pour la technique de « binder jetting » ou de projection de liant, une fine couche (50 à 300 µm) de poudre est déposée sur le plateau de travail puis laminée par un rouleau ou un racleur. Des gouttelettes de liants sont alors projetées par une tête d’impression selon le motif indiqué par les données numériques. Le plateau de travail descend alors d’une épaisseur équivalente à une couche et les étapes se répètent ainsi jusqu’à obtention de la hauteur de pièce. L’excès de poudre non liée est ensuite nettoyé.

La fabrication additive indirecte

Pour la fabrication de moules et de noyaux à partir de cette technique, le sable est déposé, couche par couche et aggloméré localement par projection de résine. Au final, on obtient un moule ou un noyau en sable sans modèle et sans outillage à partir de sa seule définition géométrique CAO. Les moules et les noyaux n’étant pas les produits finaux, mais un outil pour fabriquer les pièces souhaitées, on parle de fabrication additive indirecte. Cette technique est particulièrement adaptée pour les réalisations unitaires ou complexes. Les noyaux imprimés par exemple peuvent avoir des géométries impossibles à réaliser avec des outillages conventionnels. La fabrication additive est également adaptée pour la réalisation de pièces de rechanges, unitaires ou en petites séries ainsi que pour le développement de prototypes lors des phases de R&D et de mise au point puisque l’on peut rapidement modifier une géométrie de pièce.

La fabrication additive en grande série ?

Lorsqu’il s’agit de produire de grandes séries de pièces, la technologie peut ne plus être rentable économiquement et il faudra rebasculer vers une fabrication conventionnelle. Cette limite va dépendre de nombreux facteurs comme la complexité et la taille de la pièce ou son volume. On peut dire cependant qu’il est actuellement difficile de justifier la fabrication additive indirecte au-delà de quelques centaines de pièces. Ainsi, à l’heure actuelle, la grande série automobile peut difficilement utiliser cette technologie alors que des pièces aéronautiques l’utilisent au quotidien.

Moulage sable par fabrication additive par « binder jetting »

La technique de fabrication additive par « binder jetting » est aujourd’hui bien développée pour la fabrication de moules et de noyaux en sable à prise chimique. La première technologie bien établie, à base de résines furaniques se caractérise par de faibles coûts, une grande diversité de composants réalisables et de sable utilisables (composition et granulométrie). Le sable est dans un premier temps imprégné d’un catalyseur acide avant d’être déposé par couche sur la zone d’impression. Le liant est ensuite déposé par les têtes d’impression selon les zones déterminée par le fichier CAO. La mise en contact avec le catalyseur entraine la condensation de la résine et donc la solidification des moules ou noyaux. Les sables imprégnés de catalyseur mais non liés ne sont pas réutilisables en l’état et leur taux de recyclage reste faible. Alternative écologique à l’utilisation des résines furaniques, l’utilisation de résines phénoliques permet un taux de recyclage des sables pouvant atteindre 100% grâce à l’utilisation de sables bruts (non imprégnés). En effet, cette technique ne nécessite pas  de catalyseur, la prise du liant se faisant par chauffage et les sables non liés sont réutilisables en l’état.

Les moules à base de résines phénoliques se caractérisent par des propriétés mécaniques supérieures à celle obtenues avec les liants furaniques, une émission de gaz et des épaisseurs de parois réduites et un état de surface plus fin. Ils sont très utilisés dans l’industrie automobile, les noyaux de sable étant de plus en plus complexes et fins avec une bonne tenue mécanique pour résister à la pression du métal. Des technologies d’impression 3D sable en liant inorganique,  à base de silicate de sodium auquel est ajouté des additifs permettant d’améliorer la coulabilité du mélange sable/liant, la résistance mécanique du noyau et sa précision dimensionnelle, sont en développement principalement dans un objectif de respect de l’environnement et de régulation de ces émissions de gaz. Le marché automobile en particulier est demandeur de ces technologies inorganiques pour limiter l’impact environnemental et réaliser des conceptions de noyaux difficiles à obtenir par des technologies conventionnelles. La durée de vie limitée des noyaux due à leur sensibilité à l’humidité est l’un des inconvénients majeurs à l’utilisation de liant à base de silicate de sodium et l’élimination des noyaux après la coulée du métal reste problématique pour certains designs complexes de pièces.

Constructeurs de machine de fabrication additive sable

Les principaux constructeurs Européens de machine de fabrication de moule en sable par fabrication additive sont ExOne et Voxeljet. Un certain nombre de fondeurs en France intègrent déjà ce type de machine. D’autres ont choisi de s’approvisionner en moule et noyaux imprimés en 3D chez ces fabricants ou chez des sous-traitants spécialisés. Du coté des équipements, l’évolution de taille des machines d’impression 3D permet aujourd’hui un grand volume de production de moules ou noyaux, soit de dimensions importantes, soit par la fabrication simultanées de plusieurs moules et noyaux avec une optimisation de l’espace d’impression disponible. Voxeljet développe ainsi des machines allant de la VX200 dont la zone de travail est de 30 x 20 x 15 cm à l’imprimante VX4000 qui permet d’atteindre des dimensions de moules ou d’ensemble de moules/noyaux allant jusqu’à 4 x 2 x 1 mètres.

La technologie Voxeljet à base de liants inorganiques est uniquement disponible sur la VX-1000-S pour le moment, avec une performance cinq fois supérieure à celle des systèmes précédents. Le temps de dépôt d’une couche, de seulement 12 secondes, génère un débit volumique d’environ 54 l/h. La démonstration d’une production totalement automatisée d’impression 3D de noyaux complexes avec des liants inorganiques, sur ligne de moulage, l’ICP (Industrialization of Core Printing), fruit de la collaboration VoxelJet, Loramendi et AskChemicals, a été présentée en avant-première à la GIFA 2019. Elle  est aujourd’hui installée sur la ligne de production d’un constructeur automobile Allemand.

Les machines Exone sont toutes équipées avec les 3 types de liant. Les machines proposées vont de la S-Print dont la zone de travail de 80 × 50 × 40 cm est particulièrement adaptée pour les prototypes et les petites séries à la S-MAX Pro™ , avec une zone de travail de 1,8 X 1 X 0,7 m qui atteint des vitesses d’impression allant jusqu’à 135 l/h (18 s/couche) pour la technologie furanique et 30 s/couche dans le cas de liant inorganique.

Noyaux pour procédé de moulage à cire perdue par fabrication additive

La fabrication additive par stéréoplithographie ou « Direct Light Processing » permet d’obtenir des noyaux pour le moulage par le procédé à cire perdue de formes complexes, sans outillage et dans des délais courts. La grande liberté de conception rend la technique d’un grand intérêt pour la R&D et le prototypage. Comme pour les moules en sable, la rentabilité devient moindre pour les grandes séries ou  les pièces de grand volume.

Constructeurs de machine de fabrication additive de noyaux céramiques

Au niveau des équipements et des offres industriels, la dernière machine de 3D Ceram a été présentée au Formnext 2019 : la C3600 Ultimate est une imprimante 3D pensée pour la production de masse des noyaux de fonderie qui présente le plus grand volume de la gamme (60 x 60 x 30 cm), 4 lasers, et une résolution de 30 microns sur toute la surface. 3D Ceram a également développé la C100 Easy, qui est une version miniature dédiée à la recherche ou au prototype mais utilisant les mêmes matières premières et software. Il est donc possible de réaliser les développements sur la C100 Easy et de produire en masse sur la C3600 Ultimate avec les mêmes paramètres. 3D Ceram propose également des pâtes, élaborées sur mesure si besoin, comme le silicore, une formulation de céramique spécifiquement développée pour les noyaux de fonderie. Elle est formulée sur une base de silice et présente de hautes performances en termes de résistances mécaniques. C’est une céramique poreuse qui facilite le décochage même lorsqu’il s’agit de formes complexes.

Lithoz, fabricant d’imprimante utilisant la technique DLP a présenté à Formnext 2019 sa 2^nde génération d’imprimante, plus rapide et adaptée pour la production industrielle en particulier de noyaux de fonderie.  Lithoz propose également des pâtes à base de silice d’alumine et de zircon présentant toutes les caractéristiques attendues pour la fabrication de noyaux, c’est-à-dire une très faible dilatation thermique jusqu’à 1500 °C, une porosité élevée, une très bonne lixiviabilité et une bonne qualité de surface.

Des évolutions encore à venir

On peut penser que la fabrication additive de la céramique va continuer à fortement évoluer, tirée par de nouvelles machines,  de nouvelles nuances de céramique ou de nouvelles applications en fonderie. Le prix des pièces en céramique devrait également rester à baisser permettant de pouvoir répondre à des productions en plus grande série qu’à l’heure actuelle. On peut également imaginer pouvoir un jour rendre accessible la fabrication additive de carapaces, au moins au stade R&D ou prototype.