La technologie de fonderie sous pression

Chantier de fonderie sous pression (source GMD Eurocast).

Chantier de fonderie sous pression (source GMD Eurocast).

La fonderie sous pression permet de réaliser des pièces near-net-shape en grande série à des coûts relativement contenus et bénéficie d’une très forte automatisation des chantiers de production. Elle est dédiée à la transformation des pièces en alliages non ferreux (aluminium, zinc, cuivreux, magnésium, …) pour divers marchés (automobile, électroménager, bâtiment, …). L’essor mondial de l’automobile a largement contribué à l’augmentation continue du tonnage des alliages d’aluminium injectés.

Le principe de la technologie

Groupe d'injection en fonderie sous pression (schéma).
Groupe d’injection en fonderie sous pression (schéma).

La fonderie sous pression consiste à injecter l’alliage liquide à grande vitesse (40 à 60 m/s aux attaques de coulée) dans un moule en acier (en X38 CrMoV5) et à appliquer une pression très importante (80 à 100 MPa) pendant toute la durée de la solidification. Les presses d’injection sont très variables en taille, allant de 100 tonnes (injection de petites pièces multi-empreintes en zamak) jusqu’à des presses de 2500 tonnes (ou davantage) pour des blocs moteurs ou des grands carters de mécanismes automobiles en aluminium. La technologie est relativement standardisée, ce qui permet de passer classiquement et sans adaptation majeur un moule d’une machine sur une autre (selon la disponibilité des chantiers).

Les paramètres de fabrication

Courbe d'injection 3 phases en fonderie sous pression.
Courbe d’injection 3 phases en fonderie sous pression.

Sur les machines traditionnelles, on décompose l’injection en 3 phases. La première phase, à vitesse lente permet d’amener le métal jusqu’à l’attaque de coulée. La deuxième phase à vitesse rapide permet de remplir l’empreinte. Enfin, la troisième phase se déclenche après le remplissage et est une phase de compression à très forte pression qui permet de combler le retrait du métal pendant la solidification et de comprimer fortement les porosités (soufflures, retassures) dans la pièce. Sur les machines récentes, jusqu’à une vingtaine de phases peuvent être programmées si besoin pour piloter plus finement l’injection avec des variations de vitesse du piston au cours du remplissage et des évolutions de pression pendant la phase de compression ou enfin un freinage du piston en fin de remplissage.

Sur toutes les presses d’injection, les phases à fortes vitesses ou fortes pression tirent partie d’une réserve d’énergie potentielle (bouteille d’azote à 150-200 bars) qui est transformée via un accumulateur en une pression d’eau/glycol. Les mouvements à faible vitesse (ouverture machine, éjection, vitesse du piston à faible vitesse, …) sont eux, par contre, actionnés directement par le groupe hydraulique de la machine. Une fois la grappe éjectée, une opération de poteyage permet de refroidir le moule en surface et de déposer un agent lubrifiant (utile au démoulage de la grappe). Le temps de cycle relativement court – de quelques dizaines de secondes (petites pièces) à plus d’une minute trente secondes (pour les grosses pièces) – ne peut être atteint qu’en automatisant l’ensemble des opérations du process (louche automatique, prise de pièce par robot, opération de poteyage automatisée, dégrappage automatique sur presse verticale).

Le moule d’injection

Le moule d’injection pour la fonderie sous pression est relativement complexe et onéreux. Il peut représenter 10 % à 15 % du prix de la pièce. Ce coût d’outillage initial nécessite une série minimum économique (20 000 à 40 000 pièce) pour pouvoir être rentabilisé. Il limite de facto la fonderie sous pression à la grande série. Le moule, qui peut être multi-empreintes, comprend une partie fixe et une partie mobile et le plus souvent des tiroirs latéraux pour permettre la fabrication de zones de pièce non démoulables. L’empreinte du moule – en contact avec l’alliage liquide – est réalisée dans un acier forgé à tenue à chaud (X38CrMoV5 ou H11) qui est traité thermiquement (une trempe et deux revenus) et peut faire l’objet de traitements de surface (nitruration, …). La carcasse, quant-à-elle, qui contient l’empreinte est réalisée dans un acier moins noble et peut être réutilisée plusieurs fois.

Un système d’éjection (batterie, éjecteur, vérin d’éjection, …) en partie mobile de moule permet d’éjecter la grappe. Les empreintes sont refroidies par des canaux de refroidissement à eau et régulés en température sur les moules de taille importante par des circuits de thermorégulation (huile ou eau). Le système d’alimentation des pièces est composé des attaques de coulée, des bras d’alimentation et d’un canal principal relié à la pastille (aluminium) ou à la carotte (zamak). La conception des moules fait de plus en plus appel à la simulation numérique (remplissage/solidification) en amont de la fabrication pour optimiser la qualité des pièces.

Les avantages et les limitations de la fonderie sous pression

La fonderie sous pression possède de nombreux atouts. Elle permet tout d’abord de réaliser des pièces très précises (near-net-shape) et de faible épaisseur nécessitant moins d’usinage ultérieur qu’avec les autres procédés de fonderie (moulage sable, moulage coquille par gravité). La productivité des chantiers de production est en général très bonne avec un opérateur pour deux (ou 3 machines) dans les pays occidentaux. Par contre, le niveau de santé interne est en général moins bon qu’en moulage sable ou coquille (pour une géométrie de pièce équivalente) lié à des porosités gazeuses piégées lors du remplissage. Ces porosités empêchent la réalisation de traitement thermique. De plus, la fonderie sous pression ne permet pas de positionner des noyaux destructibles en sable et donc de réaliser des zones creuses non démoulables comme avec les autres procédés de fonderie. Enfin, la diversité des alliages disponibles est beaucoup plus limitée qu’en moulage gravité.

Les pièces en fonderie sous pression

Carter embrayage en aluminium fonderie sous pression.
Carter embrayage en aluminium fonderie sous pression.

Les pièces emblématiques de la fonderie sous pression aluminium sont le carter moteur (4 ou 3 cylindres avec chemises en fonte surmoulées), le carter d’embrayage, le carter d’huile, la colonne de direction, … Les armatures de volants automobiles, anciennement en aluminium (en surmoulage d’une armature en fer) sont de nos jours majoritairement injectés en magnésium monobloc pour limiter le poids et le moment d’inertie. Les pièces en laiton sous pression sont des fourchettes de boite de vitesse, des corps de compteurs d’eau avec de nouveaux marchés (rotor de cage en cuivre, pièce en alliage antibactérien pour le monde médical). Les alliages de zinc concernent des marchés beaucoup plus diversifiés que les alliages d’aluminium et sont utilisés dans l’automobile, l’électronique (capot, fixation de cartes), le luxe (bouchons de parfum, …), le sport ou le médical. Enfin, les alliages de plomb concernent la pêche, la radioprotection, les contrepoids.

Les différentes machines (chambre froide, chambre chaude, …)

Alliages en chambre froide et en chambre chaude en fonderie sous pression.
Alliages en chambre froide et en chambre chaude en fonderie sous pression.

Selon les alliages transformés, on utilise la technologie des machines chambre froide ou celle des machines chambre chaude. Ces deux technologies différent au niveau du four de maintien. Ainsi, en moulage chambre froide, le métal liquide est prélevé par une louche automatique (ou par un four doseur) puis versé dans un conteneur métallique et enfin injecté par un piston d’injection horizontal. Alors que dans la technologie chambre chaude, le système d’injection est immergé dans le métal liquide (à 400°C) et un piston d’injection vertical vient injecter le métal qui transite via un gooseneck et une buse d’injection dans le moule. Cette technologie, réservée aux alliages de zinc et de plomb (moins agressifs que l’aluminium vis-à-vis des éléments métalliques), conduit à des temps de cycle plus courst, mais ne permet pas d’appliquer des pressions de multiplication (3eme phase) aussi fortes qu’avec la technologie chambre froide.

Il existe également des machines chambres chaudes dites « à glissières multiples » et injection dans le plan de joint. Ces machines (Dynacast, Techmire), à très forte productivité, sont réservées à l’injection de très petites pièces (quelques dizaines de grammes) en alliage de zinc, de plomb ou de magnésium. La machine compte deux ou 4 glissières sur lesquelles sont montés les différents blocs qui composent le moule. Cette technologie étant spécifique, le moule n’est pas compatible avec des machines à couler sous pression chambre chaude traditionnelles.

Le contrôle de la qualité des pièces

Les pièces sont tout d’abord contrôlées visuellement à 100 % par l’opérateur qui surveille la machine pour identifier d’éventuels défauts externes (reprise de coulée, non venues, criques). Ensuite des pièces sont prélevées régulièrement à chaque équipe (fréquence fonction de la criticité du produit) et sont contrôlées en radioscopie pour détecter les défauts internes (soufflures et retassures principalement) non acceptables au regard du cahier des charges de la pièce. Dans certains cas, un contrôle d’étanchéité air/eau peut être réalisé par prélèvement ou un contrôle d’étanchéité air/air peut être réalisé en automatique après usinage. Les pièces fuyardes peuvent faire l’objet d’une opération d’imprégnation dans laquelle une résine vient s’infiltrer dans les porosités débouchantes pour les combler. Une partie des pièces peut être ainsi récupérée après cette opération d’imprégnation. Afin d’éviter de contrôler unitairement les pièces, on s’attache de plus à plus à contrôler le plus complètement possible les paramètres de fabrication. Ainsi, sur certains chantiers, les paramètres d’injection majeurs sont surveillés à chaque cycle par la machine qui peut ainsi écarter les pièces en temps réel si l’un des paramètres surveillés sort d’un intervalle de contrôle min-max. Les pièces écartées sont alors soient rebutées, soient contrôlées en CND à 100 %

La petite histoire de la fonderie sous pression

Plomb typographique en fonderie sous pression.
Plomb typographique en fonderie sous pression.

Le développement important de l’imprimerie vers 1850 nécessita de réaliser les caractères typographiques en plomb-étain (auparavant réalisés individuellement et à la main) en grande quantité et à bas coût et contribua fortement au développement des premières machines d’injection manuelles dédiées à ce marché. Puis la fonderie sous pression se développa avec les premières applications dans l’industrie du vélo et du phonographe aux USA. On notera que Charles Babbage (Grande Bretagne) produisit en 1868 des petites pièces de précision (plomb, antimoine étain et zinc) pour son projet d’ordinateur mécanique. Ensuite, Hermann Doehler fonda la Doehler Die Casting Company en 1908 à Brooklyn (New York) et oeuvra beaucoup pour le développement de la technologie (moule, machine, …). Puis, la première guerre mondiale orienta la fonderie sous pression vers des applications militaires (grenades, fusées, ..). Aucune composition d’alliage de zinc n’était alors normalisée, l’alliage pouvant varier de façon importante d’un atelier à un autre. Le développement de l’automobile aux USA après la deuxième guerre mondiale et le design « zinc chromé » alors très à la mode lança la production de masse de la fonderie de zinc.

Doehler die casting comapgny - 1908 - New York.
Doehler die casting comapgny – 1908 – New York.

Le développement des machines chambre froide pour l’aluminium n’arriva que beaucoup plus tardivement et seulement commercialement dans les années 1930. Un des pionner en Europe fut le Tchèque Josef Polak avec des machines chambres froides à piston vertical (quelques-unes sont encore en fonctionnement en Europe de l’Est). Puis l’injection horizontale de l’aluminium, plus simple, se généralisa avec la mécanisation et l’automatisation progressive des chantiers (louche et poteyeur automatique, …) jusqu’aux machines d’aujourd’hui. La fonderie sous pression fit l’objet, par rapport à d’autre procédés industriels, d’une robotisation très précoce car le tout premier robot industriel, développé par Unimation Inc. fut mis en application dans l’usine Ewing Township (Trenton/ USA) de General Motors en 1961 pour extraire des pièces automobiles d’une cellule de fonderie sous pression afin de limiter la pénibilité (TMS) et gagner en temps de cycle.

Les alliages transformés en fonderie sous pression

Les alliage d’aluminium de deuxième fusion (issus de recyclage) sont de loin les plus utilisés en fonderie sous pression. L’ AlSi9Cu3(Fe) (ou 46000 selon la norme européenne EN 1706) est ainsi l’alliage leader au niveau mondial et est connu sous différentes dénomination (A380 en Amérique du Nord, ADC10 au Japon, …) assez proches au niveau de leur composition chimique. Ensuite, on trouve des alliages AlSi12 (eutectique) et AlSi12Cu, AlSi10Mg ou l’hypersilicié AlSi17Cu4 moins utilisés. Enfin, des nouveaux alliages ductiles à bas fer (type Silafont) arrivent sur le marché pour réaliser des pièces à hautes caractéristiques mécaniques (avec ou sans traitement thermique).

Famille d’alliageNuances d’alliages
AluminiumAlSi9Cu3(Fe), AlSi12, AlSi12Cu, AlSi10Mg,
alliages ductiles (type Silafont), AlSi17Cu4
ZincZamak 2, Zamak 3, Zamak 5, ZA8, ZA12, ZA27
CuivreuxCuZn40 (laiton 60/40), cuivre pur, cuivre antimicrobien
MagnésiumAZ91, AM50, AM60
PlombPlomb doux, plomb-étain, plomb-antimoine

Les alliages de zinc, plus connus sous la dénomination zamak, sont composés principalement du zamak 3 et du zamak 5 qui différent par leur teneur en cuivre. Pour des tenues à chaud plus élevés, des alliages de zinc (ZA8, ZA12 et ZA27) à plus haute teneur en aluminium (8 %, 12 % et 27 % respectivement) peuvent être utilisés. Les alliages de cuivre sont également injectés avec principalement la nuance de laiton 60/40 (CuZn40) et le cuivre pur (pour sa haute conductivité thermique) ou des nouvelles nuances antimicrobien. Le magnésium est transformé en fonderie sous pression (en chambre chaude pour les petites pièces et en chambre froide pour les plus grosses pièces). On distingue l’AZ91D (le plus courant) et les AM50 et AM60 à plus fort allongement. Enfin, on pratique également l’injection des alliages de plomb (plomb doux, alliages plomb-étain ou plomb-antimoine).

Les évolutions futures de la fonderie sous pression

La fonderie sous pression s’est très fortement automatisée et robotisée pour répondre aux besoins de productivité sans cesse accrue du secteur automobile. De nombreuses technologies, dérivées de la fonderie sous pression, se sont également développées (squeeze casting indirect, thixocasting, rhéocasting, noyaux destructibles à base de sels fondus, mousse métalliques à pores fermés injectés en aluminium et en zamak, …), sans connaître cependant la maturité technologique (TRL) ou le développement important de la technologie mère. Les périphériques autour de la machine d’injection proprement dite se sont multipliés également pour aboutir à une maitrise plus poussée du process : four doseur, robot de poteyage, système de refroidissement du moule (jet-cooling), système de sous-vide, refroidissement des pièces par soufflerie, rotor de dégazage, …. De nouveaux alliages (alliages ductiles, alliages de zinc spécifique), nous l’avons dit plus haut, sont arrivés sur le marché également, pour donner plus de choix aux bureaux d’études.

Enfin, pour la production de pièces automobile à forte valeur ajoutée (blocs moteurs), certains chantiers de fonderie sous pression sont mis en ligne avec une grenailleuse et des centres d’usinage, ce qui permet de réduire le nombre d’opérateurs qui pilotent la ligne de fabrication et limite les flux de pièces dans l’usine. Dans le futur, on peut imaginer une mise en ligne d’un système de contrôle de la qualité (de type tomographie) et le développement d’un jumeau numérique par machine qui assure le pilotage au mieux des paramètres de fabrication (temps de cycle, poteyage, thermique moule, …) pour limiter la non qualité, anticiper au mieux les arrêts de fabrication (changement de broche, …) et la maintenance préventive. De tels systèmes préfigurent l’usine du futur 4.0 appliquée à la fonderie sous pression.

2 commentaires

  1. HALLOWEEN says

    Bonjour,
    Article très intéressant, mais il y a une coquille :
    Cuivreux CuZn40 (laiton 60/40), cuivre pur, cuivre antimicrobien
    Magnésium CuZn40 (laiton 60/40), cuivre pur, cuivre antimicrobien ??

    • Le métallonaute
      Le métallonaute says

      Bonjour. Merci de votre intérêt pour les articles de CTIF et de votre lecture attentive. Effectivement, il y avait une coquille dans notre tableau que l’auteur a corrigé grâce à vous. Merci encore.

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