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Carapace en cire perdue après coulée de l'alliage en fusion.

La fonderie cire perdue est un procédé de mise en forme des métaux qui consiste à fabriquer, couche par couche, un moule en céramique autour d’un modèle en cire qui sera ensuite éliminé. Ce moule est ensuite fritté et porté à haute température avant la coulée du métal.

Ce procédé permet d’obtenir un état de surface optimal, des précisions dimensionnelles maximales – ce qui lui confère l’appellation de « fonderie de précision » – alliés à une très bonne santé interne et la possibilité de réaliser des zones minces. Ainsi, le procédé cire perdue est adapté à la coulée d’alliages à très haut point de fusion tels que les superalliages et les aciers. Il convient parfaitement à la mise en forme de pièces dont la métallurgie nécessite un séjour prolongé du moule à haute température du fait de la bonne réfractarité et de la stabilité chimique des céramiques. Par ailleurs, ce procédé peut être appliqué à tous les types d’alliage (aluminium, Inconel, cuivreux, acier, titane) et à une large gamme de taille de pièces, de quelques grammes à une centaine de kilogrammes.

Un peu d’histoire…

Des découvertes archéologiques en Extrême-Orient de statuettes, de colliers et d’objets en bronze datés entre 1800 et 1200 av. J.-C, aux formes et détails complexes ont permis de fixer l’origine du procédé probablement en Chine vers 1500 av. J.-C. Certaines découvertes datant de 100 av. J.-C. en Mésopotamie (Syrie, Irak, Iran) et en Égypte montrent que ce procédé s’est peu à peu répandu dans toute cette région. Il migrera ensuite en Grèce lors de sa toute puissance, puis en Italie et en France comme l’atteste l’art campanaire statuaire du 17ème siècle et certaines œuvres artistiques célèbres comme la statue de Persée à Florence ou la statue équestre de Louis XIV à Versailles.

Exemples de pièces de fonderie cire perdue.

Dans les années 40, la transposition de ce procédé au milieu industriel a été réalisée par les Américains et les Anglais pour fabriquer des pièces complexes avec une grande précision dimensionnelle. Un peu plus tard, en France, entre 1960 et 1970, les premières entreprises se lancent dans l’aventure de la cire perdue. De nos jours, le procédé cire perdue est utilisé pour des applications dans tous les domaines de l’industrie : aussi bien dans le médical avec la fabrication de prothèses chirurgicales que dans l’aéronautique avec les aubes de turboréacteur, l’énergie, l’armement, le transport terrestre, la joaillerie ou l’art.

Les différentes étapes du process de fabrication en fonderie cire perdue

Étapes du process de fabrication de pièces de fonderie cire perdue.

Le procédé de moulage à la cire perdue est un procédé à moule et modèle non-permanents. Il est composé de plusieurs étapes : la fabrication du modèle en cire, la mise en grappe, la réalisation de la carapace, le décirage, le frittage et enfin la coulée de la pièce.

La fabrication du modèle en cire : fabrication additive ou injection en moule métallique

Fabrication additive de modèles en cire pour la fonderie de précision (machine 3D Systems).

Première étape du procédé, la fabrication du modèle en cire consiste en la reproduction en cire de la pièce métallique à fabriquer. Les parties évidées et les zones renfermées – difficiles d’accès et difficiles à sécher – tels que les trous de petite taille ou les trous borgnes de diamètre très inférieur à leur profondeur, sont obtenus avec des noyaux soit en cire soluble soit en céramique. Différents procédés sont utilisés pour la fabrication des modèles en cire : le moulage en élastomère, la fabrication additive et l’injection en moule métallique. Le moulage de la cire dans un moule en élastomère est utilisé pour de petites pièces unitaires ou pour de très petites séries dans la joaillerie et le dentaire. Cette technologie a de plus en plus tendance à être remplacée par la fabrication additive où les modèles en cire sont réalisés à partir d’un fichier numérique et d’une machine d’impression 3D cire. Cette technique, plus onéreuse, permet un gain de temps et est utilisée généralement pour la mise au point de nouvelles pièces. Les fonderies s’équipent en machine d’impression 3D de cire pour la réalisation de prototypes et de modèles pour petites et moyennes séries.

Réalisation d’un modèle en cire par injection dans un moule métallique.

Enfin, pour la production en série, on réalise la fabrication des modèles avec une presse, par injection sous pression de la cire liquide dans des moules métalliques. C’est le principe le plus utilisé en fabrication. Il est automatisable et destiné aux moyennes et grandes séries. Pour une fabrication optimale des modèles, certains paramètres doivent être sous contrôle : la température de la cire dans la cuve, la température dans l’unité d’injection, la température de la buse d’injection, la température du moule ou de la table et du plateau de serrage, la pression de serrage du moule, la pression d’injection de la cire, le débit d’injection et enfin le temps de cycle (temps d’injection de la cire plus temps de maintien après injection).

La mise en grappe

Grappe multi-empreintes en cire fonderie cire perdue.

La mise en grappe consiste à assembler en une seule structure en cire (surmontée d’un entonnoir de coulée) les modèles des pièces, les attaques, barreaux, pavés, jets de coulée et autres accessoires tels que inserts métalliques, filtres, bouchons, évents de décirage, pions de spectrographie et éprouvettes d’essais mécaniques. D’une façon générale, les cires accessoires servent à élaborer les jets et les systèmes d’alimentation de coulée. Ces cires peuvent être vierges ou recyclées mais diffèrent des cires à modèles par une bonne résistance mécanique, un bas point de fusion et une viscosité plus faible. Ainsi, lors du décirage, ces cires s’éliminent rapidement pour créer un passage à la cire des modèles et éviter tout risque de bouchon pouvant provoquer un endommagement de la carapace.

Le dégraissage ou le lavage de la grappe

Opération de dégraissage de la grappe en moulage cire perdue.

Le dégraissage est l’opération de nettoyage de la grappe avec une solution acide afin d’éliminer les agents démoulants et autres graisses dues aux manipulations lors des opérations de mise en grappe.

Cette étape est nécessaire pour une meilleure adhérence de la première couche de revêtement sur la grappe.

La réalisation de la carapace

Ensuite, il s’agit de réaliser la carapace à partir de la grappe en cire préalablement dégraissée. Les couches sont obtenues par trempages successifs du modèle dans des barbotines (mélange d’eau, de liant, de farines de céramiques et d’adjuvants organiques) suivis d’un saupoudrage de sable (zircon, molochite, corindon, …) appelé « stucco ». Chaque séquence de trempage et de stuccage est suivie d’un temps de séchage. La première couche ou couche de contact est primordiale pour obtenir le très bon état de surface de la pièce finale. Elle doit être en particulier exempte de défauts, avoir un très bon état de surface et être capable de supporter la température de coulée. La farine pour la barbotine et le stucco du sablage sont très fins, et permettent d’épouser au mieux les détails du modèle.

Trempage dans la barbotine, stuccage et séchage de la grappe en cire.

Les couches suivantes sont dites «couches de renfort» avec une granulométrie plus grossière. Ces couches extérieures confèrent à la carapace les propriétés mécaniques suffisantes pour supporter la pression métallo-statique lors de la coulée. Un certain nombre de couches successives sont appliquées sur la grappe en cire pour obtenir une épaisseur généralement comprise entre 7 et 15 mm. Au total, près d’une dizaine de couches successives sont nécessaires.

Le décirage

Le décirage est l’élimination du modèle en cire de la carapace après un séchage final pour laisser place à l’empreinte vide. Cette opération se fait soit en autoclave soit au four flash.

Autoclave de décirage des grappes en cire perdue.

L’autoclave envoie de la vapeur d’eau chaude à 160°C sous une pression de 8 bars sur la carapace renversée (entonnoir de coulée vers le bas). Cette vapeur chaude sous pression agit de deux manières.

Four flash de décirage des carapaces (tiens, le métallonaute est sur la photo).

D’une part, la pression de la vapeur va opposer une force pour neutraliser les contraintes liées à la dilatation de la cire alors chauffée. D’autre part, la température de la vapeur va faire fondre la cire, en commençant par celle en contact avec la carapace, ce qui libère de l’espace suffisant pour résorber la dilatation du modèle sans endommager la carapace avant la fusion totale de la cire. En outre, des bouchons de décirage sont prévus sur la grappe dans les zones massives, pour permettre une évacuation plus rapide de la cire fondue au contact de la carapace et libérer cet espace au début du décirage.

L’autre technologie utilisée est le décirage en four flash dans laquelle le séchage final des moules étant terminé, ces derniers sont chargés dans le four préchauffé à une température comprise entre 850°C et 1000°C. La cire est alors brûlée instantanément ce qui réduit la poussée due à sa dilatation sur le moule. Par ailleurs, des bouchons de décirage sont placés sur les parties massives éloignées de l’entonnoir de coulée pour éviter un endommagement de la carapace.

Le frittage de la carapace

Les carapaces sont ensuite placées dans le four de frittage (après un décirage en autoclave) ou restent dans le four (dans le cas du décirage flash). Elles subiront un cycle de traitement thermique entre 900°C et 1150°C. Cette étape a pour objectif d’éliminer toutes traces de cire résiduelle à l’intérieur de la carapace, de la fritter pour sa consolidation (augmentation des caractéristiques et de la perméabilité) et de l’amener à la température de coulée.

La coulée du métal

Coulée de pièces de fonderie cire perdue.

Puis, comme dans tout procédé de fonderie, on remplit la carapace préchauffée avec l’alliage fondu. En fonction de la métallurgie et des performances recherchées, la coulée peut être réalisée à l’air ou sous atmosphère contrôlée (argon, azote) ou bien encore sous vide (titane, superalliage). Elle peut être faite par gravité, par retournement ou par centrifugation. Pour obtenir certaines structures métallurgiques particulières (colonnaires, monocristallines), la coulée se fait à l’intérieur d’un four sous atmosphère et un gradient de refroidissement est imposé à la carapace.

Les opérations de parachèvement

Après la solidification et le refroidissement, la carapace est détruite par une opération de décochage qui peut être réalisée par vibrations mécaniques ou par jet d’eau. Ensuite, l’étape de dégrappage permet de détacher les pièces de la grappe. Les pièces contenant des noyaux céramiques font l’objet d’un décochage chimique pour dissoudre les noyaux dans une solution basique adaptée (KOH ou NaOH). Les finitions et les contrôles (CND, dimensionnel, …) s’ensuivent afin d’obtenir des pièces conformes au cahier des charges.

Un procédé de fonderie à haute valeur ajoutée

La fonderie en cire perdue occupe une place importante dans l’industrie pour la fabrication de pièces à haute valeur ajoutée. En effet, dans certains secteurs (aéronautique, énergie, armement, médical, …), la nature des alliages demandée, la complexité de la géométrie des pièces et la sévérité des cahiers des charges (états de surface, précisions dimensions, santé interne, …) imposent cette technologie de fabrication.