Procédés de fonderie comparés : sable, coquille, sous pression, cire perdue

La fonderie fabrique des pièces en coulant un métal liquide dans un moule qui a la forme de la pièce. Le principe n'a pas changé depuis des millénaires, mais les procédés se sont multipliés. Entre un bâti de machine en fonte coulé au sable, un carter de boîte de vitesses moulé sous pression et une roue de turbine coulée à la cire perdue, tout diffère : les alliages, les quantités, la précision, le coût de l'outillage.

Ce guide compare les quatre grandes familles de procédés de fonderie que l'on rencontre en sous-traitance. Il vous aide à identifier le bon procédé selon votre pièce, à comprendre les contraintes de conception et à savoir ce qui fait le coût.

Les quatre procédés en un coup d'œil

Les tolérances dimensionnelles des pièces moulées sont classées par la norme ISO 8062-3, qui définit des degrés de tolérance et des surépaisseurs d'usinage. Chaque procédé atteint certains degrés plutôt que d'autres : c'est le fondeur qui vous dira lesquels il garantit pour votre pièce.

La fonderie au sable

Le moule est fabriqué en tassant du sable autour d'un modèle, en bois, en résine ou en métal, qui reproduit la pièce. On retire le modèle, on place les noyaux qui formeront les cavités intérieures, on referme le moule et on coule. Après refroidissement, on casse le moule pour sortir la pièce.

Deux grandes familles de sable coexistent : le sable à vert, lié à l'argile et à l'eau, utilisé en moulage mécanisé pour les séries, et le sable à prise chimique, lié par une résine, plus adapté aux pièces moyennes et grandes produites en petite quantité.

Ses forces : presque tous les alliages se coulent au sable, y compris les fontes et les aciers ; les dimensions vont de quelques centaines de grammes à plusieurs tonnes ; le modèle coûte peu, ce qui rend la petite série possible.

Ses limites : des tolérances plus larges, un état de surface plus rugueux, des surépaisseurs d'usinage plus importantes et des parois minimales plus épaisses qu'avec les procédés à moule métallique.

C'est le procédé des bâtis de machines, des corps de pompes et de vannes, des pièces de mécanique lourde et des prototypes de fonderie. Les fontes grises et à graphite sphéroïdal, définies par les normes NF EN 1561 et NF EN 1563, y sont reines.

Le moulage en coquille

La coquille est un moule métallique, généralement en acier ou en fonte, réutilisé pour chaque pièce. Le métal y est coulé par gravité, ou poussé depuis un four situé sous le moule par une faible pression d'air : c'est la basse pression.

Le refroidissement rapide au contact du métal donne une structure fine et de bonnes caractéristiques mécaniques. Les tolérances et l'état de surface sont meilleurs qu'au sable. Les cavités intérieures complexes restent possibles grâce à des noyaux en sable.

La coquille convient surtout aux alliages d'aluminium, désignés selon la norme NF EN 1706, aux cuivreux et au magnésium. Les pièces peuvent être traitées thermiquement pour gagner en résistance. C'est le procédé des culasses, des jantes, des pièces de structure en aluminium et de nombreuses pièces hydrauliques. La page fonderie aluminium présente les ateliers qui travaillent ces alliages.

Le moulage sous pression

Dans le moulage sous pression, une machine injecte le métal liquide à grande vitesse dans un moule en acier, puis maintient une forte pression pendant la solidification. Le cycle se compte en secondes ou en dizaines de secondes. C'est le procédé de fonderie le plus productif.

Il existe deux grandes familles de machines :

• à chambre froide, où le métal est versé dans un conteneur à chaque cycle, utilisées pour l'aluminium et certains cuivreux ;
• à chambre chaude, où le système d'injection baigne dans le métal liquide, utilisées pour les alliages de zinc et certains alliages de magnésium.

Ses forces : des parois très minces, une excellente reproduction des détails, des tolérances serrées, un très bon état de surface, des cadences élevées. De nombreuses pièces sortent presque finies, avec très peu d'usinage.

Ses limites : un outillage coûteux, qui ne s'amortit qu'en grande série ; des porosités dues à l'air et aux gaz piégés lors du remplissage rapide, qui empêchent en général le traitement thermique et le soudage et peuvent poser problème pour l'étanchéité ; une taille de pièce limitée par la force de fermeture de la machine.

Des variantes, comme le moulage sous vide ou les procédés à remplissage contrôlé, réduisent ces porosités pour les pièces de structure. Pour les pièces qui doivent être étanches, une imprégnation après coulée est souvent prévue.

C'est le procédé des carters, des boîtiers électroniques, des supports de moteurs, des pièces d'électroménager et des petites pièces en zamak, l'alliage de zinc courant en quincaillerie.

Vous avez une pièce à couler et hésitez entre plusieurs procédés ? Envoyez votre plan et vos quantités : les fondeurs vous proposeront le procédé adapté.

La fonderie à la cire perdue

Aussi appelée microfusion, la fonderie à la cire perdue part d'un modèle en cire, injecté dans un moule. Les modèles sont assemblés en grappe, puis trempés à plusieurs reprises dans une barbotine céramique et du sable réfractaire pour former une carapace. On fait fondre la cire, on cuit la carapace, puis on y coule le métal. Il suffit de casser la carapace pour libérer les pièces.

Ses forces : des formes très complexes, des détails fins, un excellent état de surface et des tolérances serrées, dans presque tous les alliages, y compris les aciers, les inox et les superalliages. Une pièce qui demanderait de longues heures d'usinage peut sortir presque finie.

Ses limites : un procédé long, en plusieurs étapes, et des pièces plutôt de petite taille. Le moule à cire représente un investissement, plus modeste que celui du moulage sous pression.

C'est le procédé des pièces aéronautiques, des aubes de turbine, des implants médicaux, des pièces d'armement et de nombreuses petites pièces mécaniques en acier. La page fonderie à la cire perdue détaille ses applications.

Concevoir une pièce moulée

Quel que soit le procédé, quelques règles rendent une pièce plus facile à couler et moins chère :

• Des épaisseurs aussi régulières que possible. Une zone épaisse se solidifie après ses voisines et crée une retassure, c'est-à-dire un manque de matière interne.
• Des dépouilles sur les faces parallèles au sens de démoulage, surtout pour la coquille et le moulage sous pression.
• Des rayons de raccordement plutôt que des angles vifs, qui favorisent les criques et les turbulences du métal.
• Un plan de joint simple, si possible plan, discuté avec le fondeur.
• Des surépaisseurs d'usinage là où la pièce doit être reprise, et seulement là.
• Des références d'usinage bien choisies sur le brut, pour que l'usineur puisse prendre la pièce de façon stable.

L'article sur le brut de fonderie développe les questions d'état de surface, de surépaisseurs et de tolérances sur les pièces brutes.

Contrôler une pièce moulée

Les défauts de fonderie ne se voient pas toujours. Selon la criticité de la pièce, le contrôle peut comprendre :

• le contrôle dimensionnel, sur machine tridimensionnelle ou par scanner pour les premières pièces ;
• le ressuage ou la magnétoscopie, pour détecter les fissures en surface ;
• la radiographie ou la tomographie, pour les porosités et les retassures internes ;
• l'essai d'étanchéité, pour les pièces qui contiennent un fluide ;
• les analyses chimiques et les essais mécaniques sur éprouvettes coulées avec les pièces.

Précisez dans votre cahier des charges quelles zones sont critiques et quel niveau de défaut est acceptable. Une porosité dans une zone de fixation n'a pas la même gravité que dans une zone non sollicitée.

Fonderie ou autre procédé ?

La fonderie n'est pas toujours la meilleure réponse. Pour des pièces très sollicitées en fatigue, la forge donne en général de meilleures caractéristiques mécaniques ; la page estampage et matriçage présente ce procédé. Pour quelques pièces, l'usinage dans la masse évite tout outillage. Et pour des quantités moyennes, il faut comparer l'ensemble des coûts : outillage, pièce brute, usinage, contrôle. Le guide de la fabrication en petite série aide à faire ce calcul.

Ce qui fait le prix d'une pièce moulée

Le prix d'une pièce de fonderie se compose de l'outillage, payé une fois, et du prix de la pièce, qui dépend du poids de métal, de l'alliage, de la complexité, du taux de rebut et des opérations de finition : ébarbage, grenaillage, traitement thermique, usinage, imprégnation, contrôle.

L'outillage pèse très différemment selon le procédé : quelques modèles en bois ou en résine pour le sable, un moule en acier de grande précision pour le moulage sous pression. C'est pourquoi le procédé se choisit d'abord en fonction de la quantité totale prévue sur la vie de la pièce.

Les fondeurs référencés dans l'annuaire fonderie travaillent ces différents procédés, et la fiche métier fonderie présente le métier. Quand votre pièce est définie, demandez vos devis de fonderie en précisant l'alliage, la quantité annuelle et les zones critiques.