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Noyau sable imprimé en 3D - source BMW Group.

La fabrication additive indirecte permet de réaliser des pièces par une technologie de fonderie traditionnelle (moulage sable et cire perdue) en fabriquant directement des moules, noyaux et modèles sans outillages, par impression 3D. Cette technologie est de plus en plus utilisée en fonderie par les industriels pour la réalisation de prototypes ou même de petites séries.

La fabrication additive directe

La fabrication additive directe, traitée déjà sur MetalBlog, permet la réalisation directe de pièces métalliques (ou d’éléments de moule en acier avec des circuits internes pour réaliser du conformal cooling) à partir de leur CAO. Plusieurs technologies existent : la fusion sur lit de poudre (la plus répandue), l’apport de métal par laser Cladding ou le dépôt de cordons de soudure. Si ces technologies donnent de bons résultats, elles sont encore très couteuses par rapport à des technologies conventionnelles et possèdent des limitations en termes d’alliages disponibles ou de taille de pièce réalisable.

La fabrication additive en fonderie sable

En fonderie sable, la fabrication additive permet de fabriquer des outillages d’une part et de réaliser des moules et noyaux d’autre part. La réalisation d’outillages (plaque modèle ou boites à noyau), tout d’abord, permet des gains de temps et passe par des modèles en polymère (stéréolitographie, frittage de poudre, dépôt de fil , …) ou des modèles laminés en bois ou polystyrène (Stratoconception). Ensuite, et c’est cette voie qui est la plus répandue, le fondeur peut se passer d’outillages par la réalisation de moules et de noyaux en sable imprimés en 3D sur des machines spéciales. Le sable va être déposé couche par couche et aggloméré localement par projection de résine. Au final, on obtient un noyau en sable sans outillage à partir de sa seule définition géométrique CAO. On peut également usiner des blocs en sable déjà polymérisés pour les moules de très grande dimension.

Les fournisseurs de machines d’impression 3D sable

Les principaux constructeurs Européens de machine de fabrication de moule en sable par fabrication additive sont ExOne et Voxeljet. Un certain nombre de fondeurs en France intègrent déjà ce type de machine. D’autres ont choisi de s’approvisionner en moule et noyaux imprimés en 3D chez des sous-traitants spécialisés (Danielson, …). Il existe essentiellement deux types de liant utilisés pour ce type de moule ; les résines phénoliques et les résines furaniques. Les résines furaniques sont de loin les plus courantes alors que les résines phénoliques sont plus récentes. Les machines d’impression 3D sable en liant inorganique – et à très faible émission de COV – sont en cours de développement et seront disponibles sur le marché en 2021 ou 2022. Le marché automobile est en effet demandeur de machine d’impression 3D en liant inorganique pour limiter son impact environnemental et pour réaliser également des conception de noyaux très difficiles à réaliser par des technologies conventionnelles.

Une conception hybride en moulage sable

Les éléments de moule issus de l’impression 3D sable pouvant être onéreux, notamment pour les moules de grande dimension, on adopte assez couramment une conception hybride, comme pratiquée au CTIF. En effet, les zones internes complexes de moule (noyaux internes, …) sont réalisées en impression 3D alors que les zones simples géométriquement (système d’alimentation, zone de masselottes, zones extérieures de pièces, …) sont réalisées en sable conventionnel à prise chimique. Ce type de conception permet d’obtenir un bon compromis technico-économique en réservant la fabrication additive indirecte aux zones de pièce les plus complexes.

Une conception de noyaux assez spécifique

La conception des noyaux en impression 3D est cependant sensiblement différente de celle des noyaux traditionnels. En effet, le taux de liant en impression 3D est plus important, ce qui occasionne une perméabilité moindre des moules et davantage de dégagement de gaz à la coulée provoquant ainsi des risques de défauts internes de type porosité gazeuse. Des évacuations de gaz spécifiques doivent être anticipées pour éviter ces phénomènes. De la même manière, si la technologie d’impression 3D autorise une grande complexité de forme, l’extraction du sable flou (non aggloméré) lors de l’impression 3D doit être étudiée afin de garantir l’évacuation totale du sable dans l’empreinte et éviter d’avoir des inclusions de sable dans les pièces lors de la coulée. La décomposition des moules et noyaux doit être également soigneusement étudiée pour l’application des enduits de moulage : protection des noyaux pour les alliages à haut point de fusion (acier plus spécifiquement).

La liberté de forme des noyaux en impression 3D

L’impression 3D directe de noyaux de fonderie permet de s’affranchir de l’étude et de la réalisation d’une boîte à noyaux (gain de temps). Ainsi les noyaux imprimés peuvent avoir des géométries impossibles à réaliser avec des outillages conventionnels. La notion de dépouille (pour le démoulage) disparait également. Les noyaux peuvent être également allégés et évidés, ce qui facilite le remmoulage et l’évacuation des gaz.

Des noyaux imprimés pour quelle quantité maximale de pièce ?

Le recours de l’impression 3D de moules et noyaux prend tout son sens pour des fabrications unitaires de pièces complexes. Mais lorsqu’il s’agit de produire des séries de pièces, la technologie peut ne plus être rentable économiquement et il faudra alors rebasculer vers une fabrication conventionnelle (outillage, noyaux traditionnels). Cela va dépendre de nombreux facteurs (complexité et taille de la pièce, volume du noyau et du moule, récurrence des séries, …). On peut dire cependant actuellement qu’il est difficile de justifier la fabrication additive indirecte au-delà de quelques centaines de pièces. Ainsi, la grande série automobile ne peut pas utiliser cette technologie à l’heure actuelle alors que des pièces aéronautiques l’utilisent au quotidien.

La fabrication additive en fonderie cire perdue

En fonderie cire perdue (moulage carapace ou bloc plâtre), la fabrication additive indirecte permet de réaliser des modèles (répliques des pièces traditionnellement en cire en fonderie conventionnelle) sans avoir recours à des outillages métalliques souvent complexes et onéreux. Il existe deux grandes de matériaux : les cires et les polymères. Les modèles cire réalisés en fabrication additive sont éliminés à l’aide d’un autoclave et pour tous les autres on utilisera un four flash.

Le plus ancien procédé développé – depuis plus de 30 ans – est le SLA (Stéréolitographie) par 3DSystems. Mais on peut aussi citer le procédé DOD (dépôt de matière) de SolidScape, le DLP (Direct Light Processing) de Prodways, le SLS (frittage laser poudre) de EOS, le PPC2 (projection de liant) de Voxeljet ou le FDM (dépôt de fil) de Mega3D. Tous ces procédés possèdent des avantages et des limitations en termes de taille de pièces réalisables, de précision dimensionnelle, de productivité et de coût. Le PPMA de Voxeljet en particulier est poreux et est imprégné de cire, ce qui permet d’obtenir un meilleur état de surface (peau de pièce) et d’éviter la fissuration de la grappe (coefficient de dilation négatif).

Comparatif des procédés de fabrication additive indirecte

Il n’est jamais simple d’établir une comparaison objective des performances des différents procédés de fabrication additive indirecte (moulage sable, moulage cire perdue bloc plâtre ou carapace) avec la fabrication additive directe (SLM ou DED). Basé sur une étude de cas (échangeur thermique en structure lattice), nous avons pris une base 100 (prix, délai, qualité) pour la fabrication additive directe SLM. Il apparait que la fabrication additive indirecte en sable est clairement la mieux placée au niveau des coûts. Par contre, la cire perdue bloc plâtre permet d’optimiser le niveau de qualité en restant moins onéreuse que la fabrication additive directe.

Pas de qualification des pièces

On pourra ajouter que les technologies de fabrication additive indirecte ne nécessitent pas un processus de requalification des pièces spécifiques par rapport à la fabrication directe, beaucoup plus contraignante de ce point de vue (plans de caractérisation) pour assurer la robustesse.

Conclusion

L’intérêt de réaliser des outillages prototypes ou économiques en fonderie sable et cire perdue (modèles, plaques modèle ou outillages d’injection des cires en polymères) ou directement les moules (sable), modèles (cire) et noyaux (sable et céramique) en fabrication additive indirecte prend tout son sens pour des réalisations unitaires, le développement de prototypes, la réalisation de pièces de rechanges, …. Tout d’abord, on supprime la nécessité de réaliser un outillage (gain de temps, de mise au point et de coût). De plus, on peut modifier facilement une géométrie de pièce (phase de R&D, mise au point, prototypage). Enfin, on l’a dit, l’impression 3D indirecte autorise une liberté de forme beaucoup plus grande que la fonderie traditionnelle. Ces technologies, tout comme la fabrication additive directe, sont encore en constante évolution (nouveau procédé, plateau de plus grande taille, nouveau liant, …) et offriront probablement encore de nouvelles possibilités dans l’avenir.