Au sein du service de conception d’une entreprise de taille moyenne spécialisée dans la construction mécanique, chez les fabricants de pompes ou de compresseurs, ou encore dans le secteur agricole, on se retrouve souvent face à un dilemme lorsqu’un nouveau projet ou une pièce de rechange urgente ne nécessite que cinq ou dix pièces moulées. La chaîne d’approvisionnement traditionnelle pour les pièces moulées est principalement conçue pour les grandes séries. Lorsque de petites quantités sont demandées, les coûts unitaires grimpent à des niveaux non rentables en raison de la nécessité de réaliser des modèles. Les concepteurs sont confrontés au défi de choisir un procédé qui maintienne l’équilibre entre précision technique, gain de temps et coûts initiaux raisonnables. Ce guide analyse les options technologiques pour les petites quantités et indique quelle méthode permet de rendre la fabrication rentable.
Le choix du procédé est déterminant pour la rentabilité et le calendrier du projet. Castfast propose à cet effet une place de marché numérique qui permet d’accéder à un vaste réseau de fonderies spécialisées. À partir des données relatives aux composants, le système identifie le partenaire et le procédé qui répondent le mieux aux exigences techniques.
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Le moulage au sable classique commence dans l’atelier de modélisme. Un modèle physique en bois ou en plastique reproduit la géométrie et permet de réaliser l’empreinte dans le sable de moulage. Le coût de cette fabrication de modèles est fixe et s’applique indépendamment du nombre de pièces qui sera produit par la suite. Dans le cas de petites séries, cet investissement se répartit sur un petit nombre de pièces, ce qui fait que les coûts fixes par composant dépassent souvent la valeur réelle du matériau.
De plus, la construction de maquettes prend du temps. Des délais d’attente de plusieurs semaines retardent l’avancement du projet. Si les essais révèlent que la géométrie doit être adaptée, cela nécessite une modification ou une nouvelle construction de la maquette. La flexibilité est réduite dès lors que l’outil existe physiquement. Pour le service des achats, cela représente un risque, car les modifications apportées à la conception entraînent des coûts supplémentaires élevés.
L’impression 3D sur sable utilise des données CAO pour construire le moule, couche par couche, à partir de sable de quartz et d’un liant. Il n’est plus nécessaire de réaliser un modèle physique. Ce procédé offre une grande liberté technique, car il n’est plus nécessaire de démouler le moule. Les contre-dépouilles complexes ne constituent plus un obstacle à la conception, ce qui réduit le poids des pièces et améliore leurs fonctionnalités. Les concepteurs peuvent réaliser des canaux de refroidissement ou des géométries internes complexes directement dans la pièce moulée, sans avoir à prévoir de montages de noyaux complexes.
Le nombre de pièces se situe entre 1 et 20, ce qui permet d'éviter les coûts liés à la fabrication de maquettes.
La géométrie de la pièce est complexe et nécessiterait des opérations d'assemblage de noyaux fastidieuses.
Le calendrier ne permet pas de consacrer plusieurs mois à la construction de la maquette.
Il s'agit de pièces de rechange destinées à d'anciennes installations dont il n'existe plus de modèles physiques.
Au cours de la phase de prototypage, des modifications de conception sont encore à prévoir ; celles-ci seront mises en œuvre de manière entièrement numérique.
Grâce à la suppression des coûts d’outillage, la production reste prévisible dès la première pièce. Castfast utilise ce procédé pour réduire les délais de livraison des composants complexes à quelques semaines. Les propriétés physiques de la pièce finie sont comparables à celles d’une pièce moulée de manière conventionnelle.
Dès que les besoins dépassent le stade du simple prototype et que les quantités atteignent environ 20 unités, la rentabilité change de donne. Une fois créé, un modèle peut être utilisé pour réaliser de nombreuses moulages. Le coût de chaque pièce supplémentaire diminue, car le processus de moulage est plus rapide que la fabrication couche par couche dans l’imprimante.
Les propriétés des matériaux ne diffèrent pas de celles de leur équivalent imprimé. Que ce soit par impression ou par procédé conventionnel, on utilise de la fonte grise, de la fonte nodulaire ou de l’aluminium. Des différences apparaissent au niveau de l’aspect de surface, un modèle en plastique bien fini présentant souvent des surfaces plus lisses à l’état brut.
La quantité commandée dépasse 20 pièces, ce qui permet d'amortir le coût du modèle.
La géométrie est simple et ne nécessite pas de noyaux complexes.
Ce composant est destiné à une production en série à long terme, dans le cadre de laquelle de petits lots sont commandés régulièrement.
La taille de la pièce dépasse les capacités des imprimantes 3D courantes.
Le choix de la méthode classique implique une conception définitive, car toute modification ultérieure du modèle entraîne des coûts supplémentaires. Castfast évalue de manière impartiale à partir de quel moment il est financièrement judicieux de passer de l’impression à la fabrication de modèles.
Lorsque les composants doivent présenter une très grande qualité de surface et une grande précision dimensionnelle, la fonderie de précision constitue le choix techniquement le plus adapté. Ce procédé consiste à réaliser un modèle en cire recouvert d’une couche de céramique. Une fois la cire fondue, il reste un moule d’une extrême précision. Pour les petites séries, Castfast utilise des méthodes modernes telles que l’impression des modèles en cire. Cela permet de tirer parti des avantages de la fonderie de précision sans avoir à fabriquer de coûteux moules d’injection pour les pièces en cire.
Ce procédé convient aux pièces qui, si elles étaient moulées au sable, présenteraient une finition trop grossière ou nécessiteraient un usinage mécanique très complexe. Lorsque la précision du moulage permet d’éviter certaines étapes d’usinage sur la fraiseuse, la fonderie de précision constitue souvent la solution la plus rentable en termes de coût global, malgré des coûts de processus plus élevés.
Pour bien comprendre le domaine des petites séries, il est nécessaire de se pencher sur deux autres technologies. Le moulage en coquille utilise des moules permanents en acier. Les coûts d’outillage sont toutefois si élevés que ce procédé n’est presque jamais rentable pour les petites séries typiques de la construction mécanique. C’est la solution idéale pour les séries moyennes à grandes, dès que le nombre de pièces se compte en milliers. Castfast conseille ses clients à cet égard afin d’éviter les investissements inutiles dans des moules permanents coûteux lorsque la conception n’est pas encore au point.
À l’autre extrémité du spectre se trouve l’impression 3D directe sur métal (SLM/DMLS). Dans ce procédé, la poudre métallique est fondue directement au laser. Cette méthode est indiquée pour les pièces de très petite taille soumises à des exigences extrêmes (par exemple dans l’aéronautique ou le secteur médical). Pour la construction mécanique générale, elle s’avère toutefois généralement trop coûteuse. Le recours à un moule en sable imprimé et à la fonderie classique offre ici un meilleur rapport qualité-prix, tout en permettant un libre choix des matériaux, de l’aluminium à l’acier en passant par la fonte grise et la fonte nodulaire.
Les propriétés mécaniques dépendent du comportement à la fusion et de la solidification. Une pièce en fonte nodulaire présente, lorsqu’elle est moulée par impression, une résistance similaire à celle d’une pièce moulée à la main. Le sable dissipant lentement la chaleur, les pièces refroidissent de manière homogène, ce qui réduit les contraintes. Un savoir-faire spécifique reste toutefois nécessaire pour le placement des canaux d’alimentation afin d’éviter la formation de cavités à l’intérieur.
Le choix du matériau a une incidence sur les coûts. La fonte grise offre de bonnes propriétés de moulage à des prix abordables. La fonte d’acier nécessite des températures plus élevées et des techniques de moulage spécialisées. L’aluminium permet une construction légère, mais exige un contrôle précis de la température. Presque toutes les pièces moulées nécessitent en outre un usinage mécanique au niveau des surfaces fonctionnelles.
La dépendance vis-à-vis de fournisseurs uniques constitue un risque. Castfast y remédie grâce à un réseau composé de nombreux partenaires. Les moules issus de l’impression 3D sur sable étant basés sur des données numériques, ils peuvent être produits sur différents sites avec une qualité quasi identique ou comparable. Si un site fonctionne à pleine capacité, un autre partenaire prend le relais.
Sécurisez votre chaîne d’approvisionnement et optimisez les coûts d’approvisionnement pour les petites séries. Castfast allie l’ingénierie technique à un réseau performant de fonderies pour assurer votre réussite.
L’impression 3D sur sable est rentable pour des séries comprises entre 1 et environ 20 pièces. Les coûts liés aux modèles physiques en bois ou en plastique étant supprimés, le prix unitaire reste stable et bas, même pour de très petites quantités. Pour les pièces à la géométrie complexe qui nécessiteraient, dans le cadre d’un procédé traditionnel, des montages de noyaux complexes, la rentabilité du procédé d’impression peut s’étendre jusqu’à un nombre de 50 unités.
La qualité du matériau est identique. Ces deux procédés reposant sur le principe du moulage au sable, c’est la même coulée qui est versée dans les moules. La résistance, la dureté et la composition chimique sont conformes aux normes DIN et EN en vigueur pour les pièces moulées en fonte, en acier ou en aluminium. Les propriétés physiques des pièces dépendent principalement de la coulée et de la solidification, et non du mode de fabrication du moule.
Le délai de livraison est réduit d’environ quatre à huit semaines grâce à la suppression de la fabrication de maquettes. Alors que le moulage au sable classique nécessite dans un premier temps la fabrication de modèles physiques et de boîtes à noyaux, la production par impression 3D sur sable démarre immédiatement après la vérification technique des données CAO. Cela permet la livraison des premières pièces moulées en l’espace de quelques semaines.
Dans l’impression 3D sur sable, les modifications sont effectuées directement dans le fichier numérique. Chaque nouvelle forme est imprimée à partir du fichier CAO mis à jour, ce qui évite les coûts liés à la modification des modèles physiques. En comparaison, le moulage classique nécessite, à chaque modification géométrique, un ajustement manuel ou la fabrication d’un nouveau modèle en bois, ce qui prend du temps et coûte cher.
Un réseau assure la redondance grâce à l’accès à différentes fonderies partenaires respectant des normes techniques identiques. Si une usine connaît des goulots d’étranglement en termes de capacité ou est hors service, la commande est transférée sans perte de temps à une autre fonderie du réseau. Les données de production étant disponibles sous forme numérique, la qualité reste constante sur chaque site. Cela garantit la sécurité d’approvisionnement des petites et moyennes entreprises, même en cas de volatilité des marchés.
