Analyse des sables utilisés en fabrication additive

Sable chromite imprimé en 3D - fabrication additive sur VoxelJet - image MEB X 100.

Sable chromite imprimé en 3D - fabrication additive sur VoxelJet - image MEB X 100.

L’analyse des sables mis en œuvre en fabrication additive indirecte est importante. En effet, les caractéristiques d’usage (perméabilité, tenue mécanique) des moules et noyaux imprimés en 3D doivent être appréhendées (MEB, résistance à la flexion) afin d’en tirer le meilleur parti pour les prototypes et petites séries de pièces en fonderie.

La fabrication additive indirecte

La fabrication additive indirecte en fonderie consiste à réaliser tout ou partie du moule (noyaux internes, …) en impression 3D. La pièce sera ensuite coulée par un moyen de fonderie traditionnel (fusion, coulée, solidification, débourrage, parachèvement, … contrôle qualité). Les éléments de moule en sable sont alors fabriqués couche par couche avec différents type de sable (silice, chromite, …) et de liants (furanique, …) possibles. La teneur en liant utilisée est en général supérieure à celle retenue en moulage ou en noyautage traditionnel.

Les différentes éprouvettes observées et testées

Différentes éprouvettes de sable liées par noyautage conventionnel et par fabrication additive (imprimantes Exone et Voxeljet) ont été observées par Microscopie Electronique à Balayage et testées mécaniquement (éprouvette de flexion). Cette étude fait partie du projet FASSE (Fabrication Additive Sable en Sud-Est).

Analyse des sables siliceux avec un liant conventionnel

Figure 1 - Analyse des sables polyurethane conventionnel 55 et 100 AFS (image MEB)- flèches marquent espaces visibles entre grains.
Figure 1 – Sable polyurethane conventionnel 55 et 100 AFS (image MEB)- flèches marquent espaces visibles entre grains.

La Figure 1 présente les observations au MEB (Microscope Electronique à Balayage) des grains de silice liés par noyautage conventionnel avec un liant polyuréthanne. Pour l’éprouvette obtenue avec le sable 55 AFS, on observe une bonne perméabilité avec la présence d’espace entre les grains, liés par des ponts de liant bien dispersés au sein de l’éprouvette. Avec un sable d’indice de finesse plus élevé, comme pour l’éprouvette obtenue à partir de sable 100 AFS, on constate peu ou pas d’espace entre les grains. Ces espaces semblent être comblés en partie par le liant, bien dispersé, entrainant une faible perméabilité de l’éprouvette.

Analyse des sables avec liant furanique en fabrication additive

Figure 2 - Sable silice liant furanique fabrication additive (Exone - Danielson) - image MEB.
Figure 2 – Sable silice liant furanique fabrication additive (Exone – Danielson) – image MEB.

Des éprouvettes fabriquées à partir d’un sable de silice par fabrication additive (imprimante Exone / Danielson) avec un liant furanique ont également été observées, selon deux axes d’observation, pour visualiser l’influence du dépôt de liant et de sable par couche. Le sable de silice utilisé présente un indice de finesse 100 AFS conduisant à une faible perméabilité de l’éprouvette. De plus, selon les observations sur l’axe référencé X-Y (Figure 2), les grains de silice semblent totalement recouverts et bloqués dans une couche de liant créant ainsi une barrière imperméable. Les observations sur l’axe Y-Z nous confirment le manque d’espace entre les grains et donc une faible perméabilité de l’éprouvette.

Figure 3 - Sable chromite liant furanique fabrication additive (VoxelJet) - image MEB - flèches marquent les ponts de liant entre les grains.
Figure 3 – Sable chromite liant furanique fabrication additive (VoxelJet) – image MEB – flèches marquent les ponts de liant entre les grains.

Pour les éprouvettes obtenues avec le sable de chromite 70 AFS et un liant furanique (imprimante Voxeljet) (Figure 3), on observe une bonne perméabilité avec la présence d’espace entre les grains, liés par des ponts de liant bien dispersés au sein de l’éprouvette. Ces observations ont été effectuées sur des échantillons sélectionnées selon les 3 plans de fabrication X, Y et Z et aucune différence de dispersion du liant n’a été observée.

Résistance à la flexion de différents types d’éprouvette

Figure 4 - Résistance à la flexion en fonction de la nature du sable et des conditions de fabrication.
Figure 4 – Résistance à la flexion en fonction de la nature du sable et des conditions de fabrication.

Par ailleurs, des éprouvettes (24,5 x 24,5 x 200 mm) ont été fabriquées à partir de sable de silice ou de chromite par fabrication additive pour évaluer leur résistance à la flexion (Figure 4). Les axes X, Y et Z correspondent aux sens d’impression où X et Y sont la longueur et la largeur de la box d’impression et où Z est l’altitude (sens vertical de construction).

Pour un sable silice imprimé en fabrication additive, la résistance mécanique oscille principalement entre 2 et 3 MPa, valeurs équivalentes à un sable silice mis en œuvre par gazage ou par malaxage à vis continu traditionnel. Ces valeurs sont en phase avec la pratique, où les moules et les noyaux imprimés ne sont pas plus fragiles que ceux obtenus conventionnellement. Par ailleurs, on constate un abattement de la résistance selon l’axe Z dans tous les cas (sable silice, sable chromite, différentes machines) avec une dispersion des caractéristiques qui apparait plus important que pour les axes X et Y. Le sable chromite présente, quant-à-lui, des caractéristiques plus faibles que la silice.

Conclusions

Par rapport à des éprouvettes conventionnelles, les éprouvettes en fabrication additive présentent des résistances mécaniques du même ordre de grandeur avec cependant une hétérogénéité de comportement selon l’axe Z de construction de la machine avec des valeurs plus basses et des dispersions plus importantes. En fonction des contraintes de tenue mécanique des noyaux, on pourra avoir intérêt à privilégier les sens de construction en X-Y plutôt qu’en Z pour les noyaux élancés. Les observations (analyse des sables au MEB) des éprouvettes obtenues par fabrication additive montrent une bonne perméabilité du sable chromite 70 AFS liant furanique, équivalente aux observations sur éprouvettes obtenues par procédé conventionnel pour un sable de silice à 55 AFS.  Les éprouvettes obtenues à partir d’un sable 100 AFS silice (fabrication additive ou conventionnelle) présentent une mauvaise perméabilité, d’autant plus importante pour les éprouvettes obtenues par impression 3D. La perméabilité va influencer l’évacuation des gaz à la coulée au travers le sable. De plus, la forte quantité de liant observée entre les grains dans le cas du sable 100 AFS furanique peut avoir tendance à augmenter les dégagements gazeux à la coulée.

Remerciement à Didier Tomasevic, co-auteur de cet article.

2 commentaires

  1. Pascal Laheurte says

    Bonjour
    Merci pour cet article intéressant . Pouvez- vous me dire ce qu’il en est de l’état de surface des pièces obtenue/ à la fabrication classique de moule sable
    Avez vous connaissance d’ études comparatives sur ce sujet ?

    merci
    Bien cordialement

    • Le métallonaute
      Le métallonaute says

      Bonjour Pascal et merci de votre intérêt pour notre article de MetalBlog sur la fabrication additive indirecte. Cette technologie met en œuvre une fabrication couche par couche des éléments de moule et l’état de surface présente donc des toutes petites « marches d’escalier » dans le sens de construction en Z de l’imprimante 3D. On peut cependant remédier à cela à l’aide d’une couche d’enduit sur le moule qui permet d’obtenir un état de surface qui se rapproche de celui d’une pièce obtenue par moulage traditionnel. Globalement, et toutes métallurgies confondues, on est plutôt assez proche des qualités série obtenues en moulage sable traditionnel.

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