Le processus de moulage sous pression est une technologie de fabrication standard commune à toutes les industries. Ce processus de moulage sous pression peut varier selon différentes méthodes et technologies en fonction de la complexité de la forme et de la structure.
Ce guide vous donnera un aperçu des procédés de moulage sous pression, de leurs différents types, de leurs applications, ainsi que de leurs avantages et inconvénients.
Qu'est-ce que le moulage sous pression ?
Le moulage sous pression est un procédé de moulage des métaux qui consiste à injecter du métal en fusion dans la cavité d’un moule sous haute pression. Des outilleurs de précision usinent deux matrices en acier trempé — la moitié de matrice de couverture (fixe) et la moitié de matrice d’éjection (mobile) — qui fonctionnent de manière similaire à un moule d’injection pour former la cavité du moule le long d’une ligne de joint. La plupart des pièces moulées sous pression sont constituées de métaux non ferreux, tels que le zinc, le cuivre, l’aluminium, le magnésium, le plomb, l’étain et les alliages à base d’étain. Les fabricants utilisent une machine à chambre chaude ou à chambre froide en fonction du point de fusion et des propriétés chimiques de l’alliage concerné.
Processus de moulage sous pression
Le procédé standard de moulage sous pression comprend quatre étapes fondamentales visant à garantir une grande précision dimensionnelle et un état de surface optimal :
1. Préparation et lubrification de la matrice : Avant chaque cycle, la cavité du moule est nettoyée et vaporisée d'un agent de démoulage. L'application de lubrifiants haute performance tels que AMINO – Agent de démoulage pour moulage sous pression contribue à réguler la température du moule, empêche le métal en fusion de se souder à la matrice en acier et facilite un démoulage sans heurts, sans défauts de surface.
2. Injection et remplissage rapide : Le métal brut est fondu dans un four de maintien ou un creuset. Un piston hydraulique ou pneumatique propulse une dose dosée de métal en fusion à travers un système de canaux d'injection vers la cavité scellée du moule, à haute pression, généralement comprise entre 10 et 175 MPa (1 500 à 25 400 psi). Cette injection à grande vitesse remplit rapidement les sections à parois minces et les formes complexes avant que la solidification ne commence, ce qui évite les discontinuités de surface ou les défauts d'injection.
3. Solidification et éjection (démoulage) : Une pression élevée est maintenue sur le métal liquide pendant qu'il refroidit rapidement et se solidifie à l'intérieur de la matrice refroidie à l'eau. Une fois la solidification terminée, les deux moitiés de la matrice se séparent. Actionnées par une plaque d'éjection, des broches d'éjection uniformément réparties dans la matrice d'éjection mobile poussent la pièce durcie hors de la cavité pour achever le processus de démoulage.
4. Découpe et finition : Après le démoulage, des opérations secondaires permettent de séparer les déchets métalliques — tels que les carottes, les canaux de coulée, les points d'injection et les bavures — de la pièce utile. La machine effectue généralement cette étape à l'aide de matrices de découpe ou de parage spécialisées. D'autres processus d'usinage secondaires, notamment le sciage, le meulage, le perçage et le polissage, peuvent être mis en œuvre pour respecter les spécifications dimensionnelles finales.
Enfin, les pièces finies sont soumises à un contrôle qualité visant à vérifier leur intégrité structurelle et à détecter les défauts de moulage courants, tels que la porosité de retrait, les défauts de coulée ou les inclusions de gaz.
Types de procédés de moulage sous pression
Les types de techniques de moulage sous pression varient en fonction de l'investissement et des coûts de production. Chaque entreprise de moulage sous pression utilise une gamme variée de techniques de moulage sous pression. Les types de moulage sous pression les plus populaires seront abordés dans les sections suivantes.
Le procédé de moulage sous pression en chambre chaude
Dans un procédé de moulage sous pression en chambre chaude (également appelé « machine à col de cygne »), le mécanisme d'injection est directement immergé dans un bain de métal en fusion situé à l'intérieur d'un four de maintien intégré. Au début du cycle, le piston se rétracte, permettant au métal liquide de s'écouler dans la chambre en col de cygne.
Un piston pneumatique ou hydraulique expulse le métal hors du col de cygne et le force à pénétrer dans la cavité de la matrice. Cette technique permet d'atteindre des cadences de production élevées (jusqu'à 15 cycles par minute) et facilite l'automatisation. Elle est toutefois limitée aux alliages à bas point de fusion — tels que le zinc, l'étain et le plomb — car les métaux à point de fusion plus élevé, comme l'aluminium, attaqueraient et dissoudraient le piston en acier et les composants du col de cygne immergés.
Application
Le moulage sous pression à chambre chaude est idéal pour la fabrication en grande série de composants de précision de petite à moyenne taille, notamment les fermetures à glissière en zinc, les engrenages, les connecteurs électroniques, les poignées de porte automobiles, les boîtiers de serrure et les ferrures décoratives.
Le procédé de moulage sous pression en chambre froide
Dans le procédé de moulage sous pression en chambre froide, le métal est fondu dans un four autonome séparé. Une poche de coulée automatisée ou un opérateur transfère une quantité précise de métal en fusion dans un manchon d'injection (cylindre d'injection) non chauffé. Un piston hydraulique ou mécanique propulse ensuite le métal sous pression dans la cavité du moule.
Étant donné qu'il est nécessaire de verser manuellement ou automatiquement le métal en fusion dans la chambre froide avant chaque coulée, les temps de cycle sont légèrement plus longs que sur les machines à chambre chaude.
Les machines de moulage sous pression à chambre froide sont disponibles en configurations verticales et horizontales. Les machines verticales sont généralement compactes, tandis que les machines horizontales constituent la norme dans le secteur, quelle que soit leur capacité nominale.
Application :
Le moulage sous pression à chambre froide permet de séparer le mécanisme d'injection de la masse fondue, ce qui en fait la méthode privilégiée pour les alliages présentant des points de fusion élevés, tels que l'aluminium, le magnésium et le cuivre/laiton. Parmi les applications courantes, on peut citer les blocs-moteurs automobiles, les carters de boîte de vitesses, les boîtiers électroniques, les carter d'outils électriques et les composants structurels destinés aux appareils portables.
Le procédé de moulage sous pression
Comme pour le moulage sous haute pression, les opérateurs fixent les demi-matrices sur des plateaux fixes et mobiles, mais la machine est orientée verticalement. Un four de maintien hermétiquement fermé, contenant le métal en fusion, est situé directement sous le plateau fixe.
L'application d'une faible pression d'air (généralement jusqu'à 1 bar ou 20 à 100 kPa) dans la cuve du four force le métal en fusion (généralement de l'aluminium ou du magnésium) à remonter par un tube ascendant vertical jusqu'à la chambre de moulage située au-dessus. Les moules permanents en acier sont les plus courants, bien que les moules en sable soient également envisageables dans des installations spécialisées à basse pression.
Le flux laminaire ascendant remplit la cavité de bas en haut, à l'encontre de la gravité, ce qui réduit au minimum les turbulences. La pression est maintenue jusqu'à ce que la pièce se solidifie, ce qui permet une alimentation continue depuis le tube de coulée afin de compenser le retrait volumétrique et d'éviter la formation de vides internes.
Application :
L'industrie automobile recourt largement au moulage sous pression à basse pression pour fabriquer des composants structurels en aluminium à haute résistance, tels que les jantes, les bras de suspension et les pièces critiques du moteur, qui exigent une densité maximale et des capacités de traitement thermique élevées.
Le procédé de moulage sous vide
Le moulage sous vide est une variante avancée du moulage sous haute pression classique. Une pompe à vide évacue l'air et les gaz de la cavité scellée du moule avant et pendant l'injection. Cette technique, également appelée « moulage sous haute pression assisté par le vide » (VHPDC), est spécialement conçue pour éliminer la porosité gazeuse causée par l'emprisonnement d'air.
Grâce à une réduction considérable de la porosité interne, les pièces issues du moulage sous vide peuvent subir un traitement thermique ou être soudées sans présenter de cloques en surface.
Application :
Le moulage sous vide est largement utilisé dans les secteurs exigeant une intégrité structurelle et une étanchéité à la pression élevées, notamment pour les structures de châssis automobiles, les composants aérospatiaux, les équipements de défense, les équipements maritimes et les assemblages industriels soumis à des charges élevées.
Procédé de moulage sous pression
Le moulage par compression allie les avantages des procédés traditionnels de moulage et de forgeage. Le métal en fusion est injecté à faible vitesse dans une matrice ouverte, puis une pression hydraulique extrêmement élevée est appliquée au moment où la matrice se referme et où le métal se solidifie. Ce procédé élimine toute porosité due aux gaz et au retrait, ce qui permet d'obtenir des propriétés mécaniques exceptionnelles et des structures à grain fin.
Application
Le moulage par extrusion connaît un grand succès commercial pour la fabrication de pièces en aluminium et en magnésium à parois épaisses et soumises à des contraintes élevées, notamment des bras de suspension automobiles, des pistons, des jantes en alliage, des obus de mortier militaires et des supports à usage intensif.
Le procédé de moulage sous pression semi-solide
Le moulage de métal semi-solide (SSM), ou thixoformage, est une variante du moulage sous pression permettant d'obtenir une pièce de forme proche de la forme finale, qui consiste à traiter le métal à l'état semi-solide, entre ses températures de liquidus et de solidus. Ce procédé repose sur le comportement thixotrope du fluide : la suspension semi-solide s'écoule comme un liquide lorsqu'elle est soumise à un cisaillement pendant l'injection, mais s'épaissit et se stabilise au repos.
Ce remplissage laminaire et non turbulent empêche la formation de poches d'air, réduit les chocs thermiques sur le moule et permet d'obtenir des pièces moulées denses et très résistantes, avec un retrait minimal.
Application
Le moulage semi-solide est recommandé pour les applications critiques haut de gamme dans les alliages d'aluminium, de magnésium et de cuivre. Parmi les pièces typiques, on trouve les éléments structurels pour l'aérospatiale, les boîtiers de dispositifs médicaux, les composants pour la défense, les supports de moteur, les collecteurs d'admission et les soupapes de confinement de pression.
Moulage sous pression et moulage par gravité
Le moulage par gravité (GDC) et le moulage sous pression (PDC) utilisent tous deux des moules métalliques réutilisables (matrices) pour façonner des alliages non ferreux tels que l'aluminium, le zinc, le magnésium et le cuivre. La principale différence réside dans la manière dont le métal en fusion pénètre dans la cavité du moule et la remplit.
Dans le moulage par gravité, le métal en fusion est versé par le haut (à l'aide de poches de coulée) et remplit le moule uniquement sous l'effet de la gravité, de bas en haut. Dans le moulage sous pression, un piston injecte le métal en fusion dans la cavité sous une pression hydraulique extrême (de 1 500 à 25 400 psi) et maintient cette pression jusqu'à la solidification complète, ce qui permet des temps de cycle plus courts et la réalisation de parois plus fines.