Tout savoir sur l’impression 3D de sable

L’impression 3D plastique et métal est déjà bien établie et n’est plus un secret pour personne. Mais saviez-vous que le sable est aussi un matériau compatible avec l’impression 3D ? Elle s’avère être une solution rentable pour un grand nombre de secteurs et particulièrement complémentaire au moulage traditionnel en sable. Celui-ci devient plus rapide, plus flexible et plus économique grâce à l’impression 3D. Mais comment fonctionne l’impression 3D de sable et comment le moulage en sable traditionnel peut-il profiter de ce procédé additif ? Nous nous penchons sur ces questions dans cet article.

Pour comprendre l’importance de l’impression 3D de sable pour la fonderie, il est nécessaire de comprendre le processus traditionnel de la fonderie en sable. Le moulage en sable est un procédé de coulée permettant de produire des pièces finales en métal et autres matériaux. Le moule dans lequel le matériau liquide est coulé est constitué de sable, qui résiste à des températures élevées. Le procédé originel de la coulée de métal a fait ses preuves depuis des millénaires et remonte à environ 3 200 ans avant Jésus-Christ. Bien sûr, le processus de fabrication a connu différentes étapes de développement, mais le concept de base est resté inchangé.

Dans le procédé de moulage en sable, un matériau liquide (généralement du métal) est coulé dans des cuves de sable. (crédits photo : BigRep)

Le processus commence par un dessin 2D de l’objet à fabriquer. Sur la base de ce concept, un modèle est fabriqué, mais si celui-ci est utilisé pour des pièces finales en métal, ses dimensions sont plus importantes afin de tenir compte du retrait. En outre, le modèle doit comporter des canaux de coulée. Le moule négatif fabriqué est pressé dans une boîte de construction remplie de sable. Une image du modèle – le moule – se forme alors dans le sable. Le matériau liquide (aluminium, acier, magnésium, fer) est coulé dans ce moule et retiré dès qu’il a refroidi. Dans le cadre des étapes de finition, les canaux de coulée et les masselottes doivent également être retirés.

Bien que le moulage en sable ait fait ses preuves grâce à ses résultats détaillés, les étapes de processus mentionnées ci-dessus montrent qu’il s’agit d’un procédé complexe comportant de nombreuses étapes. C’est là que l’impression 3D entre en jeu. La combinaison du moulage classique et de la fabrication additive rend le processus plus efficace, car les moules ou les noyaux pour les pièces avec des cavités sont conçus numériquement par CAO et fabriqués par impression 3D de sable. Ainsi, les étapes de la conception du modèle, de la création du modèle et de l’empreinte dans les châssis de moulage sont supprimées. En résumé, l’impression 3D offre un raccourci vers l’objectif souhaité et permet d’économiser du temps, des coûts et des ressources.

Avant l’impression, le design de la forme est créé par CAO. (crédits photo : voxeljet)

Avant d’aborder plus en détail les nombreux avantages, concentrons-nous sur l’impression 3D de sable elle-même. On n’utilise pas le sable traditionnel du bac à sable ou de la plage, mais du sable de quartz, qui se compose lui-même principalement de grains de quartz. Différents types de sable peuvent être utilisés en fonction de l’alliage de coulée de la pièce finale. Le sable de quartz SH-F01 est mat et noir, le SH-P14 est beige et typiquement de couleur sable. Tous deux offrent une résistance thermique élevée et une grande solidité. Il est également possible d’utiliser du sable synthétique SH C052. Celui-ci est à base de céramique et offre des propriétés similaires à celles des types précédemment cités. Dans l’impression 3D de sable, le sable est ensuite transformé en moules pour le moulage en sable par liage de poudre au lieu de la poudre traditionnelle (métal ou plastique).

Avantages et applications

Le Binder Jetting est considéré comme particulièrement efficace par rapport à d’autres technologies d’impression 3D. Cela ne vaut pas seulement pour le traitement des poudres polymères ou métalliques mais aussi pour le sable. L’impression 3D par liage de poudre permet donc non seulement de sauter les étapes du moulage en sable habituel, mais aussi de fabriquer les moules de manière particulièrement efficace. Le gain de temps dans la production se traduit également par un avantage financier. Ainsi, l’impression des moules peut entraîner une réduction des coûts de 75 % sur l’ensemble de la production.

Un opérateur de machine nettoie le sable d’un noyau imprimé en 3D. (crédits photo : Hoosier)

Le modèle 3D est conçu sur ordinateur, ce qui permet de réaliser facilement des modifications et des adaptations individuelles. Il est en outre possible de réaliser des géométries complexes et de produire à n’importe quelle échelle. Un autre avantage est que les moules en sable par liage de poudre présentent une grande précision dimensionnelle et peuvent être fabriqués en n’importe quelle quantité. Cela offre également des avantages concurrentiels, car il est possible de mieux répondre aux souhaits des clients.

Outre un gain de temps et d’argent, l’impression de sable permet également d’économiser des ressources. Il n’est plus nécessaire de traiter des matériaux pour créer un modèle physique. Étant donné que les procédés additifs n’utilisent en grande partie que les matériaux réellement nécessaires, ils génèrent également moins de déchets. Le sable de quartz est considéré comme un matériau écologique, il est disponible en quantité pratiquement illimitée et la poudre d’impression non utilisée peut en outre être en partie réutilisée. En ce sens, l’impression 3D de sable contribue à une production plus durable.

L’impression 3D de sable peut être envisagée pour des moules destinés à diverses applications, notamment celles qui nécessitent une production efficace de pièces complexes. C’est le cas dans l’industrie automobile ou l’aérospatiale, les applications concrètes étant par exemple les roues ou les hélices. La fonderie britannique Boro Foundry a eu recours à l’impression 3D de sable pour la production de pièces de rechange, par exemple. La technologie peut également être utilisée pour la fabrication de meubles de designers, dans l’art et la restauration. Elle permet de fabriquer des prototypes et des petites séries.

Un moule réalisé par impression 3D de sable pour une roue. (crédits photo: voxeljet)

Fabricants d’imprimantes 3D de sable

Au sein du paysage 3D, il existe quelques fabricants qui se sont spécialisés dans le traitement du sable. L’entreprise allemande voxeljet, notamment, s’est fait un nom grâce à cela. Elle propose plusieurs systèmes d’impression 3D de sable, dont les machines VX 200, 500, 1000, 2000 et 4000, qui disposent d’un plateau d’impression de différentes tailles. Outre voxeljet, il convient également de mentionner ExOne (rachetée entre-temps par Desktop Metal), qui s’est également concentrée sur les systèmes de liage de poudre.

Même si l’impression 3D de sable couvre un éventail d’applications plus restreint que l’impression 3D de résines, de polymères et de métaux, elle répond à des besoins spécifiques. C’est pourquoi de plus en plus de prestataires de services l’ajoutent à leur offre, afin de mieux répondre aux besoins des clients et d’aider les petites fonderies qui souhaitent réformer le moulage en sable par impression 3D, mais qui ne disposent pas des ressources nécessaires pour investir elles-mêmes dans une imprimante 3D de sable.

La voxeljet VX4000 est la plus grande imprimante 3D de sable à ce jour. (crédits photo : voxeljet)

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*Crédits photo de couverture : ExOne