Types de moulage : aperçu général

Le moulage est presque aussi ancien que la métallurgie elle-même, et son principe de base n’a pas changé : faire fondre le métal, le verser dans un moule creux, le laisser refroidir, pour obtenir une pièce qui épouse la cavité du moule. Pas de découpe ni de soudure, pas d’assemblage de pièces distinctes. Une seule coulée permet d'obtenir une forme dont l'usinage prendrait des heures, et ce, en répétant l'opération des milliers de fois.

C’est pourquoi la fonderie conserve toute sa place dans l’industrie. Blocs-moteurs, raccords de tuyauterie, carters de pompe, aubes de turbine : la plupart des pièces métalliques qui ne sont ni forgées ni usinées à partir d’un bloc massif sont d’abord moulées. La gamme de procédés est vaste, et les différences comptent. Certaines méthodes privilégient le coût au détriment de la précision, d’autres font l’inverse. Certaines conviennent aux petites séries, d’autres ne sont rentables qu’à très grande échelle.

Ce guide vous présente les principaux procédés de fonderie que vous rencontrerez dans l'industrie : la fonderie au sable, la fonderie sous pression, la fonderie à cire perdue, la fonderie en moule permanent, la fonderie centrifuge, la fonderie en continu et la fonderie à mousse perdue. Pour chacun d'entre eux, vous découvrirez son fonctionnement, ses points forts et ses limites, ce qui vous permettra, en observant une pièce, de deviner de manière raisonnable comment elle a été fabriquée.

Le moulage au sable : le procédé traditionnel

Commencez par là, car c’est ainsi que procèdent encore la plupart des fonderies. Le moulage au sable fonctionne selon le même principe qu’un château de sable d’enfant, mais réalisé avec plus de soin. Un modèle, réplique de la pièce, est enfoncé dans du sable de moulage à l’intérieur d’un cadre en deux parties appelé « châssis ». La partie supérieure est appelée « châssis supérieur », la partie inférieure « châssis inférieur ». Retirez le modèle, refermez les deux moitiés, et vous obtenez une cavité ayant la forme de la pièce, reliée à l’extérieur par des canaux : une buse pour verser le métal, des canaux de distribution et des points d’injection pour répartir le métal, ainsi que des masselottes qui alimentent la pièce au fur et à mesure qu’elle se contracte. On coule le métal en fusion, on attend qu’il se solidifie, puis on brise le moule et on démoule la pièce. Le sable est réutilisé ; le moule, non.

Son attrait réside dans son coût et sa flexibilité. Les moules sont peu coûteux, et le procédé permet de traiter des pièces pesant de quelques kilogrammes à plusieurs tonnes, dans pratiquement n’importe quel alliage fusible. Blocs-moteurs, culasses, corps de pompes, châssis de machines : autant de pièces moulées au sable classiques.

Les compromis concernent la texture et la précision. Les surfaces sont rugueuses et les tolérances larges ; la plupart des pièces doivent donc subir un usinage ultérieur. De plus, chaque pièce moulée détruisant son moule, le processus est plus lent par pièce que chez certains concurrents. La figure 1 présente le schéma de base.

Figure 1 : Moulage au sable : un moule en deux parties, une canalisation d'alimentation et un canal de coulée, ainsi que le métal en fusion en cours de coulée

Moulage sous pression : précision et efficacité

Le moulage sous pression suit un principe inverse. Au lieu d’un moule jetable, on utilise une paire de matrices en acier trempé qui se ferment et se verrouillent sous pression hydraulique. Le métal en fusion est injecté dans la cavité à haute pression, plusieurs milliers de fois supérieure à la pression atmosphérique, et remplit les sections les plus fines avant de se solidifier en quelques secondes. Les matrices s’ouvrent, des broches d’éjection poussent la pièce vers l’extérieur, et le cycle recommence. Un jeu de matrices peut produire des dizaines de milliers de pièces, voire parfois des millions.

La rapidité et la répétabilité en sont les atouts majeurs. Les tolérances se situent généralement autour de ±0,1 mm, les surfaces sont suffisamment lisses pour être utilisées telles quelles, et les parois peuvent être fines, inférieures à 1 mm dans l’aluminium. C’est pourquoi le moulage sous pression domine certains segments de la production de masse : boîtiers automobiles, carters de boîte de vitesses, châssis électroniques, boîtiers d’appareils photo, raccords. La figure 2 présente la configuration de la machine.

Figure 2 : Moulage sous pression : matrices, manchon d'injection et piston poussant le métal dans la cavité

La mise en route n'est pas bon marché : la conception et l'usinage des matrices coûtent cher, ce qui fait que ce procédé n'est rentable qu'à grande échelle. Le zinc, l'aluminium et le magnésium sont les matériaux les plus utilisés, car leur point de fusion est compatible avec la résistance thermique des matrices ; l'acier et le fer atteignent des températures trop élevées pour garantir une durée de vie économique des matrices.

Moulage de précision : formes complexes et détails fins

La fonderie de précision, également appelée “ fonderie à la cire perdue ”, est la méthode utilisée aussi bien pour la joaillerie fine que pour les aubes de moteurs à réaction. Elle commence par un modèle en cire, généralement un « arbre » complet de modèles reliés à une tige centrale. Cet « arbre » est plongé à plusieurs reprises dans une boue céramique et du stuc jusqu’à ce qu’une coque dure se forme. En chauffant cette coque, la cire fond et s'écoule, laissant derrière elle une cavité précise : c'est ce que l'on appelle la « cire perdue » dans le moulage à la cire perdue. On coule ou on injecte ensuite le métal, on brise la coque, puis on détache chaque pièce de l'arbre. La figure 3 illustre cette séquence.

Figure 3 : Moulage à la cire perdue : modèle en cire, coque en céramique, déparaffinage et coulée

Vous bénéficiez ainsi d'un niveau de détail et de précision que le moulage au sable ne peut égaler, ainsi que de la liberté de réaliser des formes que l'usinage aurait du mal à reproduire : contre-dépouilles, passages internes, ailettes fines. Les tolérances se situent généralement autour de ±0,1 mm, et la qualité des surfaces est telle que de nombreuses pièces sont livrées sans nécessiter de retouche.

Le coût réside dans la fabrication du moule : un processus long, qui nécessite un savoir-faire spécifique et difficile à automatiser. C'est pourquoi le moulage de précision s'avère rentable pour les pièces complexes et de grande valeur, ainsi que pour les alliages difficiles à usiner, tels que les aubes de turbine, les implants médicaux et les supports aérospatiaux de précision.

Moulage en moule permanent : résistance et réutilisabilité

Le moulage en moule permanent se situe à mi-chemin entre le moulage au sable et le moulage sous pression, tant en termes de coût que de résultats. Au lieu d’un moule en sable à usage unique, on utilise un moule métallique, généralement en fonte ou en acier, usiné en deux parties ou plus. Le métal est coulé par gravité, sans injection à haute pression ; ensuite, le moule s'ouvre, la pièce est démoulée et le moule est réutilisé des milliers de fois.

Le moule métallique refroidissant la pièce moulée plus rapidement que le sable, la structure est plus dense et les propriétés mécaniques sont meilleures. C’est pourquoi ce procédé est particulièrement prisé pour la fabrication de jantes en aluminium, de pistons et de pièces similaires nécessitant une grande résistance, pour des séries allant de quelques centaines à plusieurs dizaines de milliers d’exemplaires. Les finitions de surface et les tolérances se situent entre celles du moulage au sable et celles du moulage sous pression.

Les limites sont bien réelles : la durée de vie du moule est limitée, le moule coûte cher et les géométries comportant de nombreuses contre-dépouilles sont hors de portée. Les pièces simples, produites en volumes moyens, constituent le terrain d'action idéal.

Moulage centrifuge : pièces de cylindres de haute qualité

Le moulage par centrifugation est le spécialiste de la famille. Dans ce procédé, le moule tourne sur son axe, généralement à l'horizontale, tandis que le métal en fusion est coulé le long de l'axe central. La force centrifuge projette le métal vers l'extérieur contre la paroi du moule, où il se solidifie pour former un tube. La figure 4 illustre ce principe.

Figure 4 : Coulée centrifuge : un moule en rotation, la force centrifuge assurant la formation de la paroi du tuyau

On obtient ainsi un cylindre remarquablement propre et dense. Les impuretés et les gaz, plus légers que le métal, migrent vers la surface interne, d’où ils sont ensuite éliminés par usinage. La paroi extérieure reste dense et pratiquement exempte d’inclusions. Pour tout objet rond et creux – tuyaux, chemises de cylindre, bagues, anneaux de roulement –, le moulage par centrifugation est souvent la meilleure solution et parfois la seule viable.

Le hic : ce procédé ne permet de fabriquer que des pièces axisymétriques. Si la pièce n'est pas essentiellement un tube, le procédé n'est pas applicable, et l'investissement en outillage et en mise en place n'est rentable qu'à partir de volumes de production raisonnables.

Coulée continue : une production efficace

Les aciéries ne coulent presque plus de lingots ; elles utilisent désormais des machines de coulée continue. L'acier en fusion s'écoule d'une poche de coulée dans un moule en cuivre refroidi à l'eau et dépourvu de fond. Le métal se solidifie contre les parois du moule, et le cordon semi-solide est extrait par le bas à une vitesse constante, en passant entre des rouleaux d'appui et sous un jet d'eau de refroidissement, jusqu'à ce qu'il soit suffisamment long pour être découpé en brames, en billettes ou en blooms.

Par rapport à l'ancienne méthode des lingots, la coulée continue permet d'économiser de l'énergie et des matières premières : il n'y a pas de lingot à réchauffer, pas d'extrémités à découper, ni de passe de laminage supplémentaire pour briser sa structure. Le produit est plus homogène et les défauts sont détectés à un stade précoce. C’est pourquoi la grande majorité de l’acier mondial passe désormais par des machines de coulée continue ; les producteurs d’aluminium appliquent le même principe à leur échelle.

Le problème, c'est l'échelle. Une machine de moulage est une installation fixe de grande taille qui fonctionne 24 heures sur 24. Cela n'a aucun sens pour un petit atelier ou une production en petite série.

Moulage à mousse perdue : une technique innovante et économique

La fonderie à mousse perdue pousse le concept de modèle jetable à son paroxysme. Le modèle n’est ni en bois ni en cire ; il s’agit de polystyrène expansé, collé pour former un ensemble reprenant exactement la forme de la pièce, canal de coulée compris. Ce bloc est recouvert d’un revêtement réfractaire, enfoui dans du sable non lié, puis coulé. Le métal en fusion vaporise la mousse à mesure qu’il avance, remplissant ainsi l’espace qu’occupait la mousse. Il ne reste alors plus que la pièce métallique, et le sable s’effrite.

Comme le modèle n'a jamais besoin d'être retiré du moule, il n'y a ni ligne de joint, ni angle de dépouille, ni assemblage de moules. Il devient ainsi possible de réaliser des pièces moulées complexes, creuses et d'un seul tenant, ce qui serait difficile, voire impossible, avec les procédés de moulage conventionnels. Les blocs-moteurs, les culasses et les collecteurs d'admission sont des pièces couramment fabriquées par moulage à mousse perdue.

Les moules en mousse sont peu coûteux à fabriquer une fois que l'outillage est en place, ce qui permet de maintenir des coûts bas même pour des pièces complexes. Les inconvénients : le revêtement en mousse doit être irréprochable, sous peine d'obtenir des défauts, et le procédé ne convient pas à tous les alliages ni à toutes les géométries.

Conclusion

Alors, quelle est la meilleure méthode de moulage ? Aucune, en soi. Le bon choix dépend de la pièce : sa taille, sa complexité, le nombre d’exemplaires nécessaires, l’alliage requis et le budget alloué à l’outillage. Le moulage au sable offre une flexibilité à moindre coût. Le moulage sous pression permet de gagner en rapidité et en précision, mais nécessite des moules coûteux. Le moulage à la cire perdue permet de traiter des pièces d’une complexité que les autres méthodes ne peuvent pas prendre en charge. Le moulage en moule permanent et le moulage centrifuge occupent chacun un créneau spécifique, tandis que le moulage continu alimente l'industrie sidérurgique.

Pour un débutant, la leçon pratique à retenir est plus simple : le moulage n’est pas un processus unique, mais un ensemble de compromis, et c’est la pièce elle-même qui détermine lequel de ces compromis sera retenu.

Le moulage peut-il être utilisé pour autre chose que le métal ? Au sens large, oui. Le plastique, le verre et même le chocolat sont “ moulés ” : ce terme désigne simplement le fait de donner une forme à un matériau en le versant dans un moule et en le laissant prendre. Dans le domaine de la fabrication, cependant, le terme “ moulage ” fait presque toujours référence aux métaux.

Quel est le moyen le moins cher de réaliser une petite série de pièces moulées ? Pour une petite quantité de pièces, le moulage au sable est généralement la solution la plus économique, car l'outillage est peu coûteux et presque toutes les fonderies sont en mesure de le réaliser. Le moulage à la cire perdue convient également aux petites séries de pièces complexes. Le moulage sous pression ne devient rentable qu'à partir de volumes élevés, lorsque le coût élevé des moules est amorti sur un grand nombre de pièces.

Quel procédé de moulage est le plus précis ? Dans la pratique, le moulage sous pression et le moulage à la cire perdue offrent tous deux des tolérances de l'ordre de ±0,1 mm. Le moulage à la cire perdue l'emporte en termes de complexité et de finition ; le moulage sous pression l'emporte quant à lui pour les parois minces et la rapidité. Il n'existe pas de classement simple, car la précision doit être mise en balance avec le coût et la forme de la pièce.