Moulage Sable Mécanique

Ce travaux pratiques (TP) porte sur le moulage sable mécanique, une technique de fonderie permettant de réaliser des pièces en métal en coulée dans un moule en sable. Le TP présente les différentes étapes de fabrication du moule sable, la réalisation du noyau, la coulée de l’aluminium en fusion, ainsi qu’une introduction au moulage en coquille métallique. Ce TP permet d’apprendre à préparer le sable, fabriquer un moule, assembler un noyau, effectuer la coulée et analyser les résultats. Il nécessite un four électrique pour fondre l’aluminium, des outils de moulage, et des précautions de sécurité adaptées.

Objectifs

• Préparer un sable à mouler avec la bonne humidité pour obtenir un moule solide.
• Fabriquer les deux demi-moules à partir de plaques modèles et réaliser les orifices nécessaires (entonnoir, évents).
• Réaliser un noyau en sable aggloméré chimiquement durci au dioxyde de carbone.
• Assembler le moule sable et le noyau, puis couler de l’aluminium en fusion par gravité.
• Observer et analyser la pièce moulée, identifier les défauts liés au moulage.
• Découvrir les différences entre moulage sable et moulage en coquille métallique.

Prérequis et installation

• Connaissance de base des procédés de fonderie et des propriétés des matériaux (sable, aluminium).
• Accès à un malaxeur pour préparer le sable, une machine de démoulage, une boîte à noyaux, et un four électrique capable d’atteindre 750°C.
• Équipement de protection individuelle : gants, guêtres, tablier renforcé, masque anti-projection.
• Matériel : sable à vert tamisé, agent facilitant le démoulage, agglomérant chimique pour noyau, plaques modèles, châssis, serre-joint, louche, pince.

Étapes de la fabrication du moule

Cette étape consiste à préparer le sable et fabriquer les deux demi-moules qui constitueront l’empreinte de la pièce.

Préparation du sable

Le sable utilisé est du sable à vert, qui doit être humidifié à environ 6% en masse d’eau pour obtenir un moule argileux solide. Le sable est d’abord concassé et tamisé pour éliminer les mottes. La teneur en eau naturelle du sable est estimée à 1,5% d’humidité, ce qui permet de calculer la quantité d’eau à ajouter. Dans ce TP, pour 10 kg de sable, on ajoute 450 mL d’eau.

Le mélange sable/eau est réalisé lentement dans un malaxeur pour éviter la formation de mottes. Le sable est ensuite récupéré dans un bac, en décollant aussi celui collé aux parois du malaxeur. Le sable ainsi préparé est prêt à être utilisé pour le moulage.

Réalisation de chaque demi-moule

Les plaques modèles supérieure et inférieure sont placées sur une table. Un agent facilitant le démoulage est pulvérisé sur les plaques pour éviter que le sable ne colle.

Le châssis est positionné sur la plaque-modèle à l’aide de goujons de centrage, ce qui garantit un alignement précis des deux demi-moules au niveau du plan de joint.

Le sable préparé est tamisé une nouvelle fois avant d’être versé dans le châssis. On remplit sur quelques centimètres, puis on tasse soigneusement sans chercher à obtenir une surface plane, afin d’éviter le feuilletage du moule qui fragiliserait la cohésion du sable. Le sable est tassé jusqu’à dépasser le niveau du châssis.

La surépaisseur est raclée avec une règle métallique en effectuant un mouvement de cisaillement pour obtenir une surface plane au niveau du châssis, sans exercer de contraintes sur le moule.

La plaque-modèle est ensuite démoulée à l’aide d’une machine vibrante. Il faut porter l’ensemble en soutenant la plaque-modèle, pas le châssis, pour éviter de démouler accidentellement le sable. La plaque est bridée sur la machine, les règles de démoulage sont positionnées face aux chandelles, puis une vibration brève détache le sable de la plaque-modèle. La poussée des chandelles soulève le châssis et libère le moule.

Pour la partie supérieure, on réalise ensuite le trou et l’entonnoir de coulée ainsi que les évents sur les masselottes. Le trou de coulée est percé progressivement avec un tube creux en purgeant le sable à l’intérieur. Les évents sont faits avec une aiguille, leur diamètre étant faible car ils servent uniquement à évacuer l’air.

Le moule est retourné et mis sur cale pour évacuer le sable. L’entonnoir de coulée est façonné en forme pyramidale inclinée à 45°, ce qui minimise les tourbillons et évite l’introduction d’air dans le moule. Le sable des parois de l’entonnoir est tassé pour empêcher son entrée dans le moule lors de la coulée.

Une fois ces opérations terminées, les deux demi-moules sont prêtes à être assemblées.

Étapes de la fabrication du noyau

Le noyau est réalisé dans une boîte à noyaux métallique déjà fabriquée. Le sable utilisé est différent de celui du moule : il contient beaucoup de silice et un agglomérant chimique durcissant au contact du dioxyde de carbone, afin d’obtenir un noyau moins friable et plus résistant.

Le sable et l’agglomérant sont malaxés lentement. La boîte à noyaux est préparée en vaporisant un agent facilitant le démoulage sur ses surfaces intérieures. Les deux parties de la boîte sont assemblées précisément grâce à des goujons de positionnement et serrées avec un serre-joint.

Le sable est versé par couches successives dans la boîte, tassé comme pour le moule sable, puis la surface est lissée.

Pour durcir le noyau, on gazéifie l’intérieur au dioxyde de carbone. Un trou est percé au centre du noyau jusqu’aux deux tiers de sa profondeur pour assurer une bonne diffusion du gaz.

Après durcissement, le serre-joint est retiré, la boîte est soumise à quelques vibrations, puis les deux parties sont séparées pour extraire le noyau fini.

Étapes de la coulée

On assemble les deux demi-moules en plaçant la partie inférieure sur la table, côté empreinte, puis en positionnant le noyau sur ses portées. La partie supérieure est refermée en s’appuyant sur des broches de guidage pour assurer un bon alignement.

Le moule fermé est placé sur une surface de sable près du four, afin de protéger le sol de la fonderie.

Le four électrique est réglé à 750°C, légèrement au-dessus du point de fusion de l’aluminium (environ 700°C), pour que le métal reste liquide pendant la coulée. Le creuset en matériau réfractaire est chauffé en continu pour éviter les chocs thermiques et les dommages. Il est important de ne pas frapper le creuset avec la louche.

Avant la coulée, on porte les équipements de protection : gants, guêtres, tablier renforcé et masque anti-projection.

La coulée se fait par gravité. On remplit une louche avec un volume de métal suffisant pour la pièce, on la positionne sur le moule, puis on bascule rapidement pour verser le métal. Le débit de coulée doit être élevé pour éviter que le métal ne refroidisse et bouche le canal de coulée avant que le moule soit complètement rempli.

Après quelques minutes de solidification, on casse le moule au-dessus d’un bac de recyclage du sable, en séparant les deux demi-moules. Le noyau est brisé à part pour recycler son sable séparément.

La pièce, encore avec le noyau, est prise avec une pince au niveau des chenaux de coulée pour ne pas abîmer les surfaces fonctionnelles, puis plongée dans l’eau. Le noyau se dissout grâce à l’agglomérant soluble.

Résultats attendus

La pièce moulée doit présenter la forme brute avec les masselottes, chenaux et trou de coulée visibles. Les défauts de surface du moule ou du noyau se retrouvent sur la pièce, ce qui souligne l’importance d’un soin rigoureux lors de leur fabrication.

Il est possible d’observer des défauts dus à la présence de gaz emprisonné lors de la coulée, ce qui indique que des évents supplémentaires auraient dû être placés pour permettre l’évacuation de l’air.

La hauteur de chute du métal dans le moule ne doit pas être trop importante pour éviter les criques et impuretés, bien que dans ce TP la chute n’ait pas semblé poser problème.

Les masselottes et le canal d’alimentation sont les dernières parties à se solidifier, ce qui est recherché pour assurer une bonne qualité de la pièce.

Moulage en coquille

En fin de TP, un moulage en coquille métallique a été réalisé. Le moule en acier, résistant à une température de fusion d’environ 1500°C, est chauffé avant la coulée pour éviter les chocs thermiques.

La coulée se fait rapidement par gravité. La pièce est retirée du moule à l’aide d’une pince puis plongée dans l’eau. La dépouille est nécessaire pour faciliter l’éjection de la pièce solidifiée.

Pièges courants

• Ajouter trop ou trop peu d’eau au sable : un excès crée de la boue, un manque provoque l’effritement du moule.
• Ne pas tamiser le sable correctement, ce qui entraîne la présence de mottes et un mauvais épouillage de la forme.
• Tasser le sable de manière à obtenir une surface plane, ce qui peut provoquer un feuilletage et fragiliser le moule.
• Oublier la mise en position précise des plaques modèles avec les goujons de centrage, conduisant à un mauvais alignement des demi-moules.
• Ne pas percer ou insuffisamment les évents, ce qui emprisonne l’air et génère des défauts de gaz dans la pièce.
• Ne pas maintenir une température suffisante dans le four, ce qui peut entraîner un refroidissement prématuré du métal et un bouchage du canal de coulée.
• Manipuler la plaque-modèle en portant le châssis, ce qui peut démouler le sable accidentellement.
• Ne pas porter les équipements de protection lors de la coulée, ce qui expose à des risques graves de brûlures et projections.