L'alliage tranche cette comparaison avant toute autre chose. La coulée sous pression est commercialement un procédé non ferreux, donc une pièce en acier au carbone, en inox ou en cobalt-chrome va par défaut à la coulée à la cire perdue. Lorsque la pièce est en aluminium, en magnésium ou en zinc, les deux procédés peuvent la produire et la décision se déplace vers la quantité : un moule en acier est coûteux à usiner et peu coûteux à exploiter, tandis qu'une coquille céramique est peu coûteuse au départ et repayée à chaque pièce.
Comment fonctionne la coulée à la cire perdue
Moulage à la cire perdue construit une coquille céramique à usage unique autour d'une réplique en cire de la pièce, fait fondre la cire, et verse le métal dans la cavité laissée derrière.
Les modèles en cire sont eux-mêmes injectés dans un moule et assemblés sur un arbre de coulée en cire. Ce moule à modèles ne voit jamais de métal en fusion, c'est pourquoi l'outillage est réutilisable et coûte une fraction d'un moule de coulée sous pression.
L'arbre est ensuite trempé dans une barbotine réfractaire et saupoudré de réfractaire sec, six à huit fois. Chaque couche sèche six à huit heures avant que la suivante soit appliquée, et ce séchage répété est la principale raison pour laquelle le procédé est lent.
Rien dans cette séquence ne devient moins cher à mesure que la commande augmente. Chaque pièce consomme son propre modèle en cire et sa propre coquille, et la coquille est détruite pour extraire la coulée — ce qui est toute la raison pour laquelle le coût unitaire se situe au-dessus de la coulée sous pression.
Comment fonctionne la coulée sous pression
La coulée sous pression injecte du métal en fusion dans un moule en acier réutilisable et le maintient sous pression jusqu'à ce que la pièce se solidifie. Les pressions d'injection vont de 3 000 psi à plus de 10 000 psi pour les alliages d'aluminium et de magnésium — suffisamment pour remplir des sections que la coulée par gravité laisserait incomplètes.
Le point de fusion de l'alliage détermine sur quelle machine la pièce est produite : le zinc et certains alliages de magnésium sont coulés en chambre chaude, avec le système d'injection plongé dans le bain, tandis que l'aluminium et le cuivre sont coulés en chambre froide, versés dans un fourreau d'injection.
Le cycle est court. Les temps de cycle en chambre chaude vont de moins d'une seconde pour les petits composants à environ 30 secondes pour une coulée de plusieurs livres, et peu ou pas d'usinage suit l'opération de coulée.
Le moule porte le coût. Les moules en acier à outils durent entre 15 000 et 500 000 coulées selon la température de coulée de l'alliage — environ 100 000 pour l'aluminium — donc l'outillage est un coût fixe réparti sur la série, et le prix par pièce ne cesse de baisser à mesure que la série s'allonge.
Coulée à la cire perdue vs Coulée sous pression
Les deux procédés se recoupent sur la complexité et sur la finition, et se séparent sur l'alliage, le volume et le coût.
| Facteur | Moulage à la cire perdue | Coulée sous pression |
|---|---|---|
| Moule | Coquille céramique jetable | Moule en acier réutilisable |
| Remplissage du métal | Coulée par gravité/assistée par vide | Injection haute pression |
| Alliages typiques | Acier inoxydable, acier au carbone, superalliages, aluminium, bronze et bien d'autres | Principalement alliages d'aluminium, de zinc et de magnésium |
| Coût d'outillage | Faible à modérée | Élevée |
| Coût unitaire | Plus élevé | Faible à grands volumes |
| Volume de production | Low to medium | Moyen à très élevé |
| Complexité de la pièce | Excellente | Excellente |
| État de surface | Excellente | Excellente |
| Parois minces | Bonne | Excellente |
| Constance dimensionnelle | Très bon | Excellente |
| Vitesse de production à grand volume | Relativement lent | Très rapide |
| Durée de vie de l'outillage | L'outillage en cire est réutilisable ; le moule céramique est détruit à chaque cycle | Les moules en acier peuvent produire de très grandes quantités de pièces |
| Applications typiques | Aérospatiale, médical, vannes, turbines, pièces industrielles de précision | Automobile, électronique, boîtiers, appareils électroménagers et produits de consommation |
La ligne de finition se lit comme une égalité, et les plages mesurées ne sont pas égales. Sur le comparateur de micro-finition de coulée reproduit dans un article technique de l'Investment Casting Institute, les surfaces de coulée sous pression brutes se situent entre 20 et 120 RMS contre 60 à 200 RMS pour la coulée à la cire perdue. L'écart ne compte que là où la surface brute est la surface finie.
La constance dimensionnelle se sépare avec la taille plutôt qu'à chaque taille. À un pouce, la tolérance standard d'une coulée sous pression en aluminium et la tolérance normale d'une coulée à la cire perdue sont le même chiffre, ±0,010 po. À cinq pouces, la tolérance standard de l'aluminium est de ±0,014 po, tandis que les normes publiées de la coulée à la cire perdue sont de ±0,019 po à quatre pouces et ±0,025 po à six. Les deux procédés publient un palier plus serré qui s'achète avec des opérations supplémentaires, une maintenance de moule plus rigoureuse et une durée de vie de moule plus courte.
Les parois minces sont plus proches que “ Bon ” contre “ Excellent ” ne le suggère. L'épaisseur minimale économique acceptée pour la coulée à la cire perdue est de 0,75 à 1,5 mm ; les parois typiques de coulée sous pression vont de 0,040 à 0,200 po (1,0 à 5,1 mm). Ce que la pression d'injection achète n'est pas un chiffre plus mince mais la même section mince remplie de manière répétable, sur une grande pièce, à cadence.
Lisez la ligne du volume de production comme un énoncé économique, non comme une limite de capacité. Les séries de coulée à la cire perdue de 50 à 10 millions de pièces ne sont pas inhabituelles ; ce qui arrête le procédé au volume est que chaque pièce paie encore pour sa propre coquille.
Quel procédé devriez-vous choisir ?
Traitez-le comme trois portes dans l'ordre — alliage, poids de la pièce, quantité. Les deux premières sont des limites strictes ; seule la troisième est un compromis.
L'alliage vient en premier parce qu'il disqualifie d'emblée. La coulée sous pression est commercialement un procédé non ferreux: la liste des alliages comprend l'aluminium, le zinc, le magnésium, le cuivre, puis le plomb et l'étain, et elle s'arrête au cuivre parce que tout ce qui est plus chaud attaque le moule en acier. Une pièce en acier au carbone, en inox ou en cobalt-chrome n'a qu'un seul de ces deux procédés à sa disposition.
Le poids de la pièce est la deuxième limite stricte. Les coulées sous pression sont généralement limitées à environ 34 kg en zinc, 30 kg en aluminium et 20 kg en magnésium — environ 66 lb du côté de l'aluminium. La coulée à la cire perdue est à son meilleur de quelques grammes à environ 5 kg, et des pièces jusqu'à 100 kg (220 lb) sont produites.
La quantité décide de tout le reste. Le moule est un coût fixe qui ne se récupère que par les pièces fabriquées dessus, donc il veut un programme long et stable ; la coulée à la cire perdue n'a presque rien à amortir et un coût par pièce qui reste à peu près là où il commence. Une conception encore en évolution, une courte série, ou une famille de variantes favorise la coquille, et un volume élevé et régulier favorise le moule — avec l'avantage de finition et de tolérance qui l'accompagne.