Technologies d’impression 3D pour la coulée de métaux

Technologies d’impression 3D pour la coulée de métaux

Vous cherchez à en savoir plus sur les technologies d’impression 3D pour la coulée de métaux ? Lisez notre guide du débutant.

Dans cet article, nous vous donnerons un aperçu des technologies de moulage traditionnelles et de la façon dont elles évoluent avec l’utilisation des imprimantes 3D. Nous découvrirons également quelles imprimantes 3D disponibles sur le marché aujourd’hui sont adaptées au moulage par injection.

Qu’est-ce que le Casting ?

Une fonderie désigne une usine où l’on produit des pièces moulées en faisant fondre du métal, en versant du métal liquide dans un moule, puis en le laissant se solidifier. Le produit final de la production en fonderie est constitué de pièces moulées, c’est-à-dire de futures pièces ou ébauches. Les pièces coulées peuvent peser de quelques grammes à plusieurs centaines de tonnes.

Les pièces moulées sont principalement utilisées dans les usines qui produisent des machines-outils. Cette méthode de production se distingue des autres par les éléments suivants :

1) On peut obtenir des produits d’une masse de quelques grammes à plusieurs centaines de tonnes. Ces articles peuvent être de géométrie complexe et avoir diverses propriétés mécaniques et opérationnelles.

2) Vous pouvez obtenir des produits dont les matériaux ou les dimensions les rendent impossibles ou non rentables à créer par d’autres méthodes.

3) Les pièces moulées sont aussi proches que possible, en taille et en forme, des produits finis. Ce qui n’est pas le cas des ébauches obtenues par estampage volumétrique à chaud ou par forgeage.

Les moulages par rapport à la technologie traditionnelle

Dans le processus de moulage traditionnel, le maître modèle peut être réalisé à la main ou par usinage. Cependant, certaines formes ne peuvent pas être réalisées manuellement. Pour produire des maîtres modèles, on utilise des centres d’usinage CNC à cinq axes. Cela augmente considérablement la possibilité de créer des articles de formes diverses et complexes.

Cependant, la fabrication d’un tel pochoir ou maître-modèle est très coûteuse. Par conséquent, cette option d’obtention d’un moulage est pertinente pour la production de masse mais n’est pas économiquement réalisable dans la production de petite et moyenne taille. Pour ces deux dernières options, il est préférable d’utiliser une imprimante 3D.

Graphique montrant comment le coût d’un modèle dépend du nombre d’exemplaires produits, et où l’utilisation des technologies additives sera plus rationnelle.

Production de pièces de fonderie grâce aux technologies additives

L’un des problèmes que les technologues en fonderie doivent résoudre est de savoir comment minimiser les opérations à forte intensité de main-d’œuvre lors de l’usinage des pièces. Cette question est résolue par le fait que les pièces moulées doivent être aussi proches que possible des paramètres de la pièce requise, ce qui permet également d’économiser de l’argent et du temps. Ici, les innovations viennent à la rescousse, sous la forme de technologies additives.

Les technologies additives accélèrent le processus technique, en contournant les premières étapes traditionnelles de la technologie de fabrication des pièces moulées. Grâce à ces technologies, la fabrication peut obtenir le modèle ou le moule de fonderie requis en une seule opération.

Dans la zone rouge – le processus de moulage traditionnel, dans les zones verte et bleue – le moulage utilisant les technologies additives – le temps de production est réduit de 2 à 6 fois.

comparison of traditional vs additive technologies

L’impression directe de produits en métal, qui est utilisée dans de nombreuses industries modernes, est plus coûteuse d’un point de vue économique que le moulage traditionnel. C’est pourquoi l’impression 3D de modèles par fusion et brûlage, ainsi que la synthèse de moules et de noyaux prêts à être coulés, présentent un intérêt particulier.

Le moulage par injection utilisant les technologies additives est plus rentable que l’impression directe.

Domaines d’application

Les maîtres-modèles et les moules à injection imprimés en 3D sont utilisés dans les fabriques de bijoux, dans la production de moules dentaires et de produits orthopédiques, dans les bureaux d’études, pour la R&D, dans les centres de formation et les centres de prototypage.
Les moulages géométriquement complexes résultant de l’utilisation des technologies additives sont utilisés dans le cinéma et la télévision pour produire rapidement des accessoires inhabituels de forme complexe.

L’Aston Martin 1960 DB 5 de 007 dans le film “Coordonnées : Skyfall” a été créé en utilisant des technologies additives pour préserver la voiture originale dans les scènes de cascade.

 

Moulage de décors à l’aide de moules en sable imprimés sur une imprimante 3D.

Imprimantes 3D et technologies pour l’impression 3D Modèles de fonderie

Pour obtenir des modèles d’injection, on a recours à l’impression 3D en utilisant les technologies FDM (FFF), SLS, SLA, DLP. Ces technologies permettent d’imprimer des modèles qui seront ensuite fondus ou brûlés dans le moule d’injection formé autour. La cire est utilisée pour les modèles de placement, tandis que le PMMA, le plastique CAST et les photopolymères spéciaux sont utilisés pour les modèles brûlés.

Le principal avantage de l’utilisation des technologies d’impression 3D est qu’il n’est pas nécessaire de préparer des équipements spéciaux, par exemple des moules. Parmi les autres avantages, citons la faible teneur en cendres des matériaux lors du brûlage.

Le modèle 3D préparé est immédiatement envoyé à l’impression et, après un léger post-traitement, il est prêt à être utilisé.

FDM (FFF) : Dépôt couche par couche

FDM est une méthode d’impression 3D largement connue des professionnels et des amateurs de technologies additives.

Le matériau du filament pour l’impression FDM de modèles brûlés est un plastique spécial ou un composite à forte teneur en cire.

Dispositif principal FDM (FFF) – imprimante.
Dispositif principal FDM (FFF) – imprimante.

Imprimante 3D recommandée : PICASO 3D Designer X

PICASO 3D Designer X est une imprimante FDM avec une zone de construction de 200 x 200 x 210 mm. Elle peut imprimer des matériaux tels que l’ABS, le PLA, le HIPS, le PVA, l’ULTRAN 630, l’ULTRAN 6130, l’ASA, l’ABS/PC, le PET, le PC, la FRICTION, le CAST, le RELAX , l’ETERNAL, le FLEX, le RUBBER, le SEALANT, le PETG, l’AEROTEX, le CERAMO, le WAX, le SBS, le SBS PRO, le PROTOTYPERSOFT, le PRO-FLEX, le TOTAL PRO, le NYLON et le PEEK à des vitesses allant jusqu’à 100 cm³/h et avec des épaisseurs de couche de 10 µm.

Matériaux recommandés

Polymaker Polycast

Polymaker Polycast est un filament en cire destiné à l’impression de modèles pour la coulée de métaux. Ce filament convient à toutes les imprimantes FDM.

DISPONIBLE SUR POLYMAKER

Lorsque le filament se consume, il reste une teneur minimale en cendres – moins de 0,01 %. Le matériau est bien post-traité par polissage, à l’aide d’un solvant ou d’une flamme. Les propriétés des modèles en cire ne diffèrent pas de celles des modèles standard et peuvent être utilisées dans la production en fonderie.

QDTD Filament Acrylique

QDTD Acrylic Filamnet est un filament en polyméthacrylate de méthyle (PMMA) destiné à la production en fonderie. Ce filament, communément appelé acrylique, présente un haut degré de transparence et une faible teneur en cendres.

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Les modèles imprimés avec ce matériau sont infusés avec une solution de cire pour créer une surface lisse. Ensuite, dans la fonderie du modèle, un système de canaux est créé pour alimenter uniformément la masse fondue. La structure est ensuite plongée dans le mélange de moulage, qui est appliqué en plusieurs couches. Cela crée une impression solide à partir du modèle imprimé et du système de canaux.

Le modèle imprimé est ensuite brûlé hors du moule et calciné dans un four. Après cela, il peut être utilisé pour le moulage.

Vous trouverez ci-dessous quelques exemples d’articles créés à l’aide de filaments de PMMA.

SLS – Frittage sélectif par laser

Le SLS est utilisé pour fabriquer des maîtres-modèles de formes complexes, de précision moyenne et de dimensions relativement grandes.

Vous trouverez ci-dessous un aperçu du fonctionnement de cette technologie :

Une chambre de travail est remplie d’un gaz inerte tel que l’azote. La chambre doit comporter une plate-forme recouverte d’un rouleau de poudre de polystyrène dont la taille des particules est de 50 à 150 microns. Une nouvelle couche est frittée sur la plate-forme avec un laser CO2 (à une température de 100-120°C) le long de la section du “corps” du modèle CAO. Ensuite, la plate-forme de travail est abaissée de 0,1-0,3 mm, après quoi la couche suivante est imprimée.

Le dispositif principal de l’imprimante SLS.

Le modèle imprimé n’a pas besoin de support car le matériau lui-même (poudre environnante) sert de référence. Tout matériau non utilisé peut être réutilisé.

Procédé d’impression 3D utilisant la technologie SLS

Le modèle obtenu sur une telle imprimante est rempli de matériau de moulage, dont il est ensuite brûlé dans un four de calcination. Lors de la combustion, des gaz combustibles sont libérés. Ces gaz doivent être neutralisés.

Le moule peut se boucher avec les cendres d’un modèle brûlé. C’est pourquoi les matériaux utilisés pour sa fabrication sont pris avec une faible teneur en cendres, en centièmes de pour cent.

Moule de coulée de précision en céramique et coulée qui en résulte

Imprimantes recommandées

3DSystesm ProX SLS 6100

La ProX SLS 6100 de 3DSystems est une imprimante 3D SLS dont les temps de construction sont plus rapides que ceux des autres imprimantes SLS dans cette gamme de prix, avec une imbrication haute performance et une capacité de densité élevée pour un volume de construction 25 % plus important.

Matériaux recommandés

PrimeCast 101 – Polystyrène gris est un matériau gris à base de polystyrène. Ce matériau convient à l’impression de modèles pour la coulée de métaux en raison de son faible point de fusion et de la précision dimensionnelle des pièces imprimées.

SLA – Appareil de stéréolithographie au laser (stéréolithographie au laser)

Ce procédé d’impression est similaire au SLS. Toutefois, au lieu d’un matériau en poudre, on utilise un matériau liquide. Le laser UV agit sur le matériau, qui durcit de manière sélective et par couches.

Les matériaux utilisés sont des résines photosensibles et des photopolymères. La plate-forme de travail est abaissée ou relevée (en fonction de l’emplacement de la source lumineuse) et le liquide est polymérisé par un laser à des points donnés.

Comme c’est le cas pour les poudres, le matériau liquide non utilisé peut être réutilisé pour l’impression de modèles ultérieurs.

Procédé d’impression 3D utilisant la technologie SLA.

Les modèles obtenus présentent une qualité de surface élevée. Ils ne nécessitent donc pas d’usinage supplémentaire.

Modèles stéréolithographiques en plastique de roues à jet d’eau (en haut à gauche), modèles en cire réalisés à partir de ces modèles (en bas à gauche) et moulage métallique fini (à droite).
À gauche – modèle SLA, à droite – moulage en argent.

Imprimantes 3D recommandées

UnionTech RSPro450

L’imprimante 3D UnionTech RSPro450 imprime des pièces avec une épaisseur de couche de 30 microns et une taille de 450 x 450 x 300 mm.

Shining3D EP-A450

L’imprimante photopolymère Shining3D EP-A450 imprime des objets jusqu’à 450×450×350 mm à une vitesse allant jusqu’à 120 g/h.

XJRP SPS 450H

L’imprimante 3D XJRP SPS 450H possède une chambre de travail de 450 x 450 x 350 mm et imprime à une vitesse de 200 g/h.

Matériaux

La résine de stéréolithographie Somos Element a été développée par DSM Additive Manufacturing spécifiquement pour le moulage de modèles. Le matériau ne contient pas d’antimoine.

L’impression avec elle permet de réaliser des modèles 3D de haute qualité avec un haut degré de répétabilité. Le matériau est très résistant, ne se déforme pas pendant le stockage et a une faible teneur en cendres. Le matériau restant s’enlève facilement, laissant le moule propre.

LCD (Liquid Crystal Display) et DLP (Digital Light Processing)

Pour polymériser le photopolymère, on utilise un projecteur DLP sur des puces DMD ou un écran LCD. C’est la principale différence avec la technologie SLA, qui utilise un laser UV.

Une autre différence est que la couche entière est projetée, chaque pixel en même temps. En outre, la couche n’est pas dessinée par un faisceau laser. Cela accélère le processus.

Puce DMD avec deux micromiroirs.

Les modèles imprimés sur une telle imprimante nécessitent le retrait des supports et un traitement UV. Cela signifie que le post-traitement des modèles obtenus à l’aide de cette technologie ne diffère pas de ceux qui sont imprimés à l’aide de la technologie SLA.

Procédé d’impression DLP
“Spot” lumineux d’un projecteur DLP, en fonction de l’impression d’une couche particulière.

L’impression DLP vous permet d’obtenir un modèle plus rapidement, mais avec une surface moins lisse qu’une imprimante SLA.

La différence de détail lors de l’impression avec la technologie SLA et la technologie DLP.

Flash Forge Hunter DLP

FlashForge Hunter DLP est une imprimante DLP avec une épaisseur de couche de 25-50 microns et une surface d’impression de 120×67.5×150 mm.

Modèle imprimé et moulage fini réalisé avec l’imprimante DLP FlashForge Hunter

Magna à cristaux liquides photocentrique

L’imprimante 3D Photocentric Liquid Crystal Magna est l’une des plus grandes imprimantes LCD. Elle dispose d’une grande chambre de travail – 510 x 280 x 350 mm et imprime des pièces avec une épaisseur de couche de 25 microns.

Le modèle est imprimé sur une imprimante Photocentric Liquid Crystal Magna.

Matériaux

Le photopolymère Daylight Precision Castable est conçu pour la fabrication de moules de coulée pour les bijoux. L’imprimante est très précise et détaillée. La surface des produits est claire et lisse. Après la combustion, le matériau ne laisse pas de cendres, et ne se déforme pas pendant la polymérisation.

La pièce est imprimée avec Daylight Precision Castable en noir.

Imprimantes 3D pour la fabrication de moules

Vous pouvez obtenir rapidement un moule de fonderie de haute qualité en utilisant les technologies Binder Jetting et SLS. Les imprimantes 3D utilisant ces technologies impriment des moules à partir d’un sable de fonderie spécial.

Technologie Binder Jetting

Cette technologie vous permet d’imprimer un moule en sable à la géométrie complexe sans traitement supplémentaire. Après l’impression, vous pouvez commencer à couler immédiatement.

Le principal avantage de la technologie Binder Jetting est qu’aucune condition particulière n’est requise pour le fonctionnement d’une telle imprimante. Vous pouvez imprimer à température ambiante.

Procédé d’impression Binder Jet.

Dans ce cas, le matériau utilisé est le sable. Le sable est réparti sur la plate-forme de travail à l’aide d’un rouleau. Ensuite, la tête d’impression applique un adhésif de liaison sur la poudre. La plate-forme est abaissée à travers l’épaisseur de la couche du modèle et l’objet est formé où le sable est associé au liquide (c’est-à-dire à la colle).

Le matériau non utilisé, par analogie avec la technologie SLS, est un support pour un futur modèle.

Le dispositif principal d’une imprimante avec la technologie Binder Jet.

Moules de coulée imprimés à l’aide de la technologie Binder Jet.

Imprimantes recommandées

FHZL PCM1500

 

L’imprimante 3D à sable FHZL PCM1500 imprime des modèles avec une précision de ±0,3 mm, avec une épaisseur de couche de 200 microns. La machine a un volume de construction de 1500 x 1000 x 700 mm.

FHZL PCM2200

L’imprimante 3D à sable, FHZL PCM2200, possède une chambre de travail encore plus grande de 2200 x 1000 x 800 mm. La machine imprime des pièces en sable de quartz, calciné, synthétique et chromite avec une épaisseur de couche de 200 microns.

ExOne S-Max Pro

Cette imprimante 3D industrielle, ExOne S-Max Pro, imprime des prototypes et des moules à partir de sable avec une épaisseur de couche de 260 microns. Les dimensions des modèles imprimés ne doivent pas dépasser les dimensions de la chambre de travail – 10400 x 3520 x 2860 mm.

ExOne S-Print

L’ExOne S-Print est une imprimante 3D industrielle dotée d’une chambre de travail de 800 x 500 x 400 mm. La machine imprime des produits avec une épaisseur de couche de 240 microns.

Impression SLS de moules de coulée

La principale différence avec la technologie SLS mentionnée précédemment est l’utilisation de sable de fonderie pré-revêtu d’un polymère comme matériau d’impression. Le matériau est fritté au laser, puis nettoyé. La forme obtenue est placée dans un four de calcination pour le durcissement, qui a lieu à une température de 300-350°C.

La principale différence avec la technologie Binder Jet est que le moule fini est plus détaillé. Cependant, il faut plus de temps pour obtenir la forme finie en raison de la nécessité d’un traitement supplémentaire.

Impression 3D solaire

Une autre technologie d’impression sur sable intéressante est connue sous le nom de Solar Sinter. Cette technologie a été développée par un ingénieur, designer et artiste allemand, Markus Kaiser. L’impression 3D solaire est idéale pour créer des moules en sable avec une très faible précision.

Il convient de noter que vous devez emporter le bureau avec vous. Markus Kaiser propose une tente pyramidale avec revêtement réfléchissant – un excellent abri contre le soleil brûlant.

Si votre entreprise est située dans le désert, c’est la meilleure option puisque le sable et le soleil sont omniprésents, c’est-à-dire lors d’un travail standard de neuf heures. Il vous suffit d’apporter votre propre imprimante avec un ordinateur pour commencer à imprimer.

L’imprimante est équipée d’une lentille de Fresnel, qui concentre la lumière du soleil en un faisceau. La lentille permet de faire fondre le sable à une température de 1400-1600°C. Un tracker solaire suit la position du soleil et fait tourner la lentille vers lui. Il y a également des cellules photoélectriques pour alimenter les moteurs électriques de l’installation.

Le principal atout de cette technologie est l’économie d’électricité, de matériaux et de location de locaux. Cependant, le concept est peut-être encore plus important.

Le processus d’impression sur une imprimante 3D solaire

Une telle imprimante, tant en raison des spécificités de l’application que de la faible précision des modèles obtenus, peut difficilement être utilisée pour des besoins industriels. En revanche, pour les artistes et les artisans, elle sera une véritable trouvaille.

Imprimer des moules d’injection sur elle est peut-être une occupation douteuse, mais les objets d’art sont la chose même.

Le retrait du modèle de la zone de travail de l’imprimante 3D solaire se fait à l’aide d’une cuillère à soupe. Vous pouvez utiliser un bouchon, mais la vitesse sera plus lente.

Mais sérieusement, qui sait où la technologie ira ensuite ? Parfois, des projets fous ouvrent de nouvelles possibilités dans notre vie quotidienne.

Conclusion

L’introduction de l’impression 3D rend le processus de moulage moins cher et plus rapide. Avec l’impression 3D, vous pouvez produire des modèles et des moules pour le moulage avec une géométrie complexe et des dimensions variées, sans perdre la précision du moulage résultant.

Vous pouvez utiliser des imprimantes fonctionnant sur les technologies FDM(FFF), SLS, SLA/DLP, Voxeljet pour obtenir des modèles à cire perdue et à brûler. Les matériaux utilisés ont un faible pourcentage de cendres et l’impression des modèles est plus rapide que leur réalisation manuelle ou à l’aide d’une machine CNC.

Exemple de chaîne de processus pour l’obtention d’une pièce moulée à l’aide d’un modèle d’investissement

Pour les moules de coulée, les technologies d’impression Binder Jetting et SLS avec un matériau adapté aux moules sont appropriées.

Les technologies additives dans le domaine du moulage sont applicables lorsqu’il est nécessaire d’obtenir un modèle maître ou un moule pour un futur moulage à moindre coût et rapidement, par exemple dans les bureaux d’études et les usines pilotes. Ces technologies sont également applicables à la production de masse.

Si une précision de l’ordre du micron n’est pas requise, la différence de vitesse et de coût de travail les rend beaucoup plus intéressantes que l’usinage sur une toupie CNC.

Aujourd’hui, vous pouvez commander un moulage en métal ou en plastique et voir le résultat de l’utilisation de l’impression 3D dans le moulage.

Contactez-nous pour obtenir des conseils sur le choix d’une imprimante 3D à intégrer dans votre fonderie ou votre équipement de fonderie.

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