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Chantier de moulage par gravité coquille - source Kuka.

La fonderie coquille par gravité consiste à obtenir une pièce à partir d’un moule métallique appelé également coquille ou outillage, dans lequel a été versé un métal à l’état liquide. Le remplissage est réalisé sous la seule action de la gravité, d’où l’intitulé moulage coquille par gravité. Ces outillages sont majoritairement en aciers alliés ou au carbone et plus rarement en fonte ou en alliages cuivreux.

Le principe du moulage coquille

La fonderie coquille par gravité se distingue des autres procédés de fonderie par certaines spécificités. Tout d’abord, la forme de la pièce à obtenir est donnée par une empreinte constituée par la surface interne du moule et enduit d’un produit de poteyage. Le plus souvent, cette cavité comporte un système de remplissage composé généralement d’une descente, d’un ou plusieurs canaux et d’une ou plusieurs attaques. Puis, au cours de la solidification, le métal subit une contraction qui doit être compensée par un apport de métal, appelé système de masselottage, qui constitue des réserves de métal liquide positionnée en charge par rapport aux zones à nourrir. L’ensemble composé de la (des) pièce(s) et des systèmes de remplissage et de masselottage est nommé grappe de coulée. Pour évacuer l’air de l’empreinte au cours du remplissage, il est prévu des évents de faible épaisseur (proche de 0,2 mm) qui comme les systèmes de remplissage et de masselottage seront séparés ultérieurement de la pièce lors du parachèvement.

Chaque partie de la coquille, en contact avec la grappe de coulée, doit être en dépouille pour permettre le démoulage de la grappe de coulée sans altérer sa surface. Les valeurs courantes de dépouille sont comprises entre 0,5 et 3°. Si certaines formes des pièces sont en contre dépouille (dépouille négative) par rapport au sens de démoulage, il est nécessaire de faire appel à des artifices tels que des noyaux sable ou des broches métalliques à clé plus complexes.  Après solidification, la grappe de coulée est extraite du moule et cette action est généralement facilitée par un système d’éjection composé de plusieurs éjecteurs qui appuient simultanément sur la grappe de coulée lors de l’ouverture du moule.

Enfin, pour atteindre des températures souhaitées de l’outillage, il est parfois nécessaire d’évacuer ou au contraire apporter des calories à l’outillage par le biais de canaux de refroidissement (air, air/fluide, fluide) ou des systèmes de réchauffement (cartouches électriques, brûleurs gaz). Les différents éléments du moule doivent être étanches lors de la coulée du métal liquide. Cette étanchéité est obtenue en appliquant une pression sur les différentes parties du moule par le biais de systèmes hydrauliques (vérins) ou mécaniques.

Le moule métallique

En résumé, les moules métalliques de fonderie se présentent comme un ensemble d’éléments comportant : une partie fixe et mobile permettant l’ouverture du moule pour extraire la grappe de coulée, des broches métalliques ou des noyaux sable, une empreinte de la pièce, un système de remplissage, un système de masselottage (pour éviter des retassures dans la pièce), des évents (dispositifs d’évacuation des  gaz de l’empreinte), un dispositif d’éjection de la pièce et un dispositif d’évacuation ou d’apport de chaleur.

Les chantiers de fabrication

Plusieurs types de chantier se rencontrent en fonderie : des chantiers en ilots, des chantiers en ligne et des chantiers en carrousels. Les chantiers en îlot constitués d’une ou deux coquilleuses maximums sont alimentées en métal liquide par un seul four. Généralement, la coulée et l’extraction des grappes de coulée sont manuelles.

Les chantiers en ligne sont constitués de plusieurs coquilleuses alimentées en métal liquide par une ou plusieurs nuances d’alliage. Les fréquences de coulée des outillages peuvent être différenciées et ajustées en fonction des dimensions des pièces. Généralement, la coulée et l’extraction des grappes de coulée sont semi ou automatiques. Et enfin, Les chantiers carrousel constitués de plusieurs coquilleuses alimentées en métal liquide par une seule nuance d’alliage. Les fréquences de coulée des outillages sont identiques ou du moins calées sur la plus faible. Généralement, la coulée et l’extraction des grappes de coulée sont automatiques.

Les coquilleuses basculantes

Le remplissage de l’empreinte peut se faire en mode statique ou en mode basculé où l’outillage pivote d’un angle qui peut aller jusqu’à 90° lors du remplissage pour minimiser les hauteurs de chute du métal et ainsi les vitesses d’écoulement. Dans ces conditions, les turbulences d’écoulement sont limitées impliquant une moindre oxydation du métal permettant d’améliorer la qualité finale des pièces.

Les alliages transformés en moulage coquille

Les alliages coulés en moulage coquille par gravité sont très majoritairement des alliages d’aluminium (Al Si7Mg0,3 ou 0,6 ; Al Si5Cu3 ; Al Cu4MgTi, Al Mg…) avec des températures de coulée comprises entre 700 et 800 °C. A ces températures, les outillages sont modérément sollicités thermiquement permettant de couler en moyenne près de 100 000 grappes de coulée. Mais les outillages sont fortement sollicités aussi chimiquement (solubilité du fer dans l’aluminium à haute température) nécessitant d’appliquer un revêtement protecteur (poteyages réfractaires ou graphites) sur les surfaces de l’empreinte. D’autres familles d’alliages sont coulées dans une moindre mesure telles que les cuivreux (laiton, cupro-aluminium) dans les domaines de la robinetterie ou maritime et également les alliages d’étain ou de plomb.

Le marché du moulage en coquille

Les marchés de la fonderie coquille par gravité sont tournés principalement vers les constructeurs automobile (culasse, maitre cylindre de frein, support moteur, pièces de structure, …) et de poids lourds suivi de la mécanique générale. Les pièces coulées sont de masse variable (comprises entre quelques grammes et 50 kg). Les épaisseurs minimales courantes sont de 4 mm pouvant être abaissées à 1 mm en appliquant par exemple le concept Evisto (pièce mince). Les pièces peuvent comprendre des zones internes évidées qui sont réalisées à l’aide noyaux en sable positionnés dans le moule à la coulée.

Conclusions

On l’aura compris, le moulage en coquille offre la possibilité de couler des pièces avec des épaisseurs désormais très faibles (de l’ordre de 1 mm) en utilisant le concept Evisto développé par le CTIF et qui consiste à isoler thermiquement l’empreinte pour diminuer les échanges thermiques entre l’alliage coulé et l’outillage. La régulation thermique pointue des outillages est réalisée en les instrumentant avec de nombreux capteurs de température. Cette régulation thermique est disponible désormais sur la plupart des coquilleuses. Enfin, la possibilité de réaliser, en phase de conception de l’outillage, des simulations numériques de remplissage des empreintes suivi de la solidification de la pièce (et des plans d’expérience numérique si nécessaire) permet d’optimiser les systèmes de remplissage et de masselottage et la qualité des pièces.