Des moules et noyaux en sable imprimés en 3D

L’impression 3D sable se démocratise depuis maintenant une dizaine d’années, se positionnant comme technologie complémentaire aux procédés de moulage classiques.

Cet article fait suite au dossier consacré à cette technologie paru dans la Revue Forge Fonderie (mars 2020) et des actions menées sur le territoire français par les fondeurs et leur écosystème afin d’approcher et de cerner les atouts de la fabrication additive sable mais aussi d’en mesurer ses limites ou inconvénients face aux procédés classiques.

Dans ce contexte, un plan d’expériences a été mené conjointement avec la fonderie Saint-Gobain Seva (SGV), le lycée Hector Guimard de Lyon (LHG) et le CTIF.

Il a permis d’évaluer l’impact du mode de réalisation des noyaux (notamment impression 3D sable) et de leur enduction sur la qualité des pièces coulées telle que l’état de surface, la présence d’abreuvage, d’érosion et de fissures.

Le choix de l’alliage de coulée s’est porté sur un acier austénitique 25-20 (25% de chrome et 20% de nickel) couramment coulé à la fonderie SGV pour l’industrie des pare-brises automobiles.

Les critères ainsi retenus pour le plan d’expériences ont été :

• Le mode de réalisation des noyaux :
  • Impression 3D
  • Noyautage conventionnel
• La nature du sable :
  • Silice
  • Chromite
  • Cerabeads
• La nature de la résine :
  • Polyuréthane
  • Furanique
  • Phénolique
  • Phénolate alcalin ester (a-set)
• L’enduction :
  • Sans
  • A base de zircon
  • A base de corindon

Le plan d’expériences a été partiel comprenant 26 combinaisons :

Pour ce faire, une pièce a été conçue par le CTIF incluant un noyau central en sable. En partant du principe que les sables de fonderie se dégradent notamment thermiquement, le noyau en gradin a été développé pour faire évoluer le ratio de l’épaisseur de la pièce coulée sur celle du noyau.

Dans ces conditions, la quantité de chaleur absorbée par unité de volume de sable variera selon le tronçon permettant ainsi d’évaluer son impact sur la tenue du noyau.

Les 26 pièces ont été coulées en 2 fusions à la fonderie de Saint-Gobain Seva puis coupées pour interprétation.

Les pièces ont été analysées puis notées par 7 personnes en scrutant tout particulièrement l’état de surface, les présences d’abreuvage, d’érosion et de fissures.

Exemple de 3 pièces :

Le tableau ci-après synthétise les notations en mettant en avant les choix les plus performants :

Constat

L’impression des moules est plutôt favorable pour obtenir un bon état de surface et pour minimiser voire éviter les fissures sur les pièces.

A contrario, le serrage conventionnel des noyaux est pertinent pour limiter l’abreuvage et l’érosion des sables certainement dus à une homogénéité plus élevée de la résine au sein du noyau.

Concernant la nature du sable, la chromite est sans surprise plus performante ; principalement due à ses bonnes caractéristiques thermiques telle qu’une faible dilatation et une diffusivité de chaleur plus élevée.

Il en va de même pour l’enduit à base de zircon qui accroît la réfractarité du moule et améliore ainsi l’état de surface et limite l’abreuvage et l’érosion des pièces. L’absence d’enduit est plutôt favorable pour limiter les fissures en ne créant probablement pas de différence de vitesse de refroidissement à la surface de la pièce propice aux faibles contraintes superficielles.

Concernant la prise des noyaux, la résine a-set a permis une qualité de pièces globalement intéressante certainement due à sa polymérisation partielle qui lui confère lors de la coulée une dégradation décalée dans le temps pour limiter ainsi l’abreuvage et générer un état de surface régulier de la pièce.

Il est constaté une qualité de surface dégradée au droit des noyaux de faibles diamètres où la quantité de chaleur absorbée par unité de volume de sable est la plus importante.

Pour plus d’informations sur ce projet, n’hésitez pas à contacter Didier Tomasevic, Chef de Projets Méthodes et Procédés Fonderie chez CETIM-CTIF.