Pourquoi se lancer dans la fonderie ?

Quel modéliste vaporiste n'a pas rêvé de réaliser ses propres bruts de fonderie ? C'est exactement ce raisonnement qui m'a poussé à me lancer dans l'aventure...  car c'est effectivement une aventure faite d'une succession d'échecs avant d'obtenir le résultat souhaité. J'ai mis presque 6 mois avant d'obtenir ma première pièce réellement utilisable après avoir testé diverse techniques de moulage.
Au jour où j'écris ces lignes, toutes mes pièces ont été coulées en bronze (CuSn12) élaboré à partir de cuivre et d'étain de récupération.

Ces pages vont décrire le procédé de fonderie que j'ai retenu pour réaliser des pièces mécanique en bronze depuis la fabrication des équipements tels que le four de fusion, le brûleur, la fabrication des moules, l'élaboration de l'alliage, et bien sûr la coulée.

Mon but final est la réalisation de bruts de fonderie pour la fabrication d'une locomobile de type Merlin 12A à l'échelle 1/10ème.

Cette page de présentation a pour but de montrer les grandes lignes de la technique que j'emploie. Le process sera détaillés dans des articles plus techniques pour chaque étape.
Les pages "fonderie" sont encore en rédaction, revenez régulièrement.

AVERTISSEMENT SECURITE

La fonderie est un loisir dangereux et il est impératif de bien connaitre les risques et les règles de sécurité avant de se lancer.
Je ne pourrai en aucun cas être tenu pour responsable des blessures occasionnées aussi graves soient elles.

Les règles de base :
Port impératif d'équipements de sécurité adaptés, lunettes, gants haute température, vétements haute température, chaussures de sécurité et guêttres cuir.
Ne jamais plonger d'outils ou de métaux non préchauffés dans du métal liquide, la présence d'humidité peu provoquer une explosion de vapeur et engendrer des projections de métal en fusion, voire même l'explosion du four.
Ne jamais couler de métal dans un moule humide, là aussi il y a risque d'explosion de vapeur et donc d'explosion du moule.

Toujours travailler dans un local très bien ventilé car la combustion du propane à haut débit génère du monoxyde de carbone qui est un gaz lourd et mortel, dans un local fermé il va s'accumuler au sol et vous prendra en traitre.

Le non respect de ces quelques règles de base peut rapidement vous conduire aux urgences avec de très graves brûlures.

Quelques exemples de pièces coulées en bronze

Pour vous donner envie de vous lancer voilà quelques pièces réalisées en bronze (CuSn12) avec la technique du PLA perdu dans des moules fabriqués avec un mélange de plâtre de Paris, de sable et de fibres de verre. Cette technique sera décrite un peu plus loin dans ces pages.
Quelques bibelots réalisés à partir de modèles 3D téléchargés sur Thingiverse et imprimés en PLA sur mon Ender 3 V2.

En bas de la photo un premier ensemble de pièces de la locomobile Merlin 12A au 1/10ème, il s'agit de la porte du foyer et de son cadre.

Lorsque j'ai coulé ces pièces il s'était déjà écoulé plusieurs mois de mise au point jalonés de nombreux échecs, il ne faut pas se décourager car l'apprentissage peu être long.
Là on change de niveau de difficulé, ce sont les premières pièces pour la locomobile Merlin 12A. Au centre, le bâti moteur avec encore de nombreux défauts, cette pièce ne sera pas utilisable. De chaque côtés, les volants qui sont sortis parfaits à la première coulée. En bas à droite, le cylindre et la boite à vapeur, là aussi bons à la première coulée, idem en bas à gauche avec les guidages de coulisse.
Le bâti moteur est clairement en limite de faisabilité avec ma méthode, la grappe fait environ 1kg200 et les épaisseurs les plus faibles sont en dessous de 3mm...
Galerie de pièces bronze coulées maison
Prêts à vous lancer dans l'aventure...
Alors, que la force soit avec vous...
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La fonderie et le chantier

Le matériel qui va constituer votre fonderie est très important et doit soit être acheté dans le commerce soit de fabrication maison. Comme à mon habitude, j'ai choisi de tout fabriquer à partir de ce que l'on trouve dans les grandes surfaces de bricolage, sauf bien sûr les creusets qui sont achetés (Amazon) c'est aussi une question de sécurité car il ne faut jamais oublier que le bronze en fusion est à environ 1200°C, un creuset qui casse n'est pas une option.
Le matériel de fusion avec bien sûr le four à creuset mais aussi d'autres indispensables : les lingotières, la pince pour sortir le creuset et couler, divers outils pour saisir les lingotières, nettoyer le métal en fusion, saisir le métal à fondre.
Le four est alimenté en gaz propane.
Ce four permet de fondre 1kg200 de bronze en moins de 30mn.
En fonction de la technique de fonderie utilisée, un deuxième four peut être utile pour cuire les moules. J'utilise la méthode du PLA perdu ce qui demande de cuire les moules à environ 700°C pour éliminer totalement le modèle imprimé en PLA et cuire le moule.
Ce four est rectangulaire avec un bruleur propane en partie basse qui chauffe une sole, la flamme n'est pas directement en contact avec le moule.
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Fabrication d'un four pour le bronze, en anglais.
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Fabrication d'un four pour le bronze, en anglais

Le métal de base

De nombreux métaux et alliages peuvent être coulés, mais pour un amateur il est important de connaitre quel alliage on utilise ce qui exclut la récupération de tout et n'importe quoi au risque de ne plus rien maitriser.
Pour les cuivreux, on a le choix entre les bronzes et les laitons, voire quelques exotiques comme l'or nordique. Les composants de base tels que le cuivre, le zinc et l'étain sont relativement faciles à trouver et il est donc possible d'élaborer ses propres alliages.
Pour les alliages d'aluminium, c'est plus délicat car seule la récupération est possible et là c'est beaucoup plus délicat car tous les alliages d'aluminuim ne sont pas utilisables correctement en fonderie, il faut donc uniquement récupérer des pièces qui ont été fabriquée en fonderie. Contrairement à ce que l'on voir sur le web, il ne faut pas utiliser de cannettes ni de profilés alu qui ne sont pas des alliages de fonderie.
Cuivre pur
Si comme moi vous voulez élaborer vos alliages, il faut commencer par faire des lingots avec divers métaux de récupération.
Pour commencer, du cuivre qui est le principal composant du bronze et du laiton. Vous pouvez en récupérer avec des tuyaux de plomberie, du fil électrique des anciens bibelots...
Attention à prendre du vrai cuivre et non pas des alliages proches car les résultats ne seraient pas à la hauteur.
La température de fusion du cuivre est 1080°C, et on le coule à 1200°C.
Autre source de récupération, des pièces de fonderie en alliage d'aluminium. Il est impératif de récupérer des pièces de fonderie afin d'avoir le bon alliage car contrairement aux cuivreux l'élaboration de son propre alliage en mélangeant les composants n'est pas possible car on ne trouve pas d'aluminium pur en récupération. Les lingots de la photo ci-contre proviennent d'une carcasse de moteur électrique, c'est donc un AS10 ou un AS13 bien adapté à la fonderie.
Alliage d'aluminium type AS10
Pour les autres métaux de base, il vous faudra du zinc qui est facile à trouver avec de vielles gouttières de pluviales, mais attention lors de sa fusion le zinc dégage des vapeurs toxyques, il ne faut pas s'exposer aux fumées.
Un autre métal indispensable à l'élaboration du bronze, c'est bien sûr l'étain que l'on peut trouver dans de vieux bibelots mais aussi à partir de baguettes de soudure de zinguerie, attention à acheter des baguettes dont la composition est indiquée et qui sont très riches en étain, je prend des ROTHENBERGER qui sont du Sn91Zn9 donc uniquement 9% de zinc qui ne gèneront pas pour vos bronzes.
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bigstackD Casting
Chaine Youtube avec plein de sources de récupération, mais attention il ne coule souvent que des lingots...
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BigstackD casting
Chaine Youtube, beaucoup de récupération de métaux

Elaborer son bronze, et d'autres alliages

Si on souhaite maîtriser la qualité de son allige il est préférable de l'élaborer soi même. Pour le bronze c'est très facile, il suffit de fondre ensemble du cuivre et de l'étain... oui, mais pas dans n'importe quelle proportion.
Le bronze est composé principalement de cuivre avec entre 5 et 25% d'étain.
Pour les pièces mécanique on utilisera de 8 à 15% d'étain, pour les cloches il faut entre 20 et 25%.
Plus on met d'étain meilleure sera la coulabilité, mais trop d'étain fait diminuer les caractéristiques mécaniques et augmente la fragilité, en revanche le son est meilleur pour les cloches.
Pour mes fabrications, j'ai choisi de me placer à 12%, autrement dit c'est du bronze CuSn12.
Point important, les pourcentages sont par rapport aux masses de chaque composant, donc facile à doser avec une simple balance de cuisine.
Prêt pour lancer la fusion
Pour préparer une charge de coulée, je mets dans mon creuset à froid, des lingots ou chutes de bronze issues de mes précédentes coulées et du métal neuf.
En général, j'ajoute aussi une baguette de brasure cuivre phosphore (brasure de plomberie) car l'ajout d'une très petite quantité de phosphore améliore un peu la coulabilité.
Si vous souhaitez élaborer d'autres alliages de fonderie, le laiton par exemple, il faut allier du cuivre avec du zinc, là il est possible de mettre beaucoup plus de zinc, jusqu'à près de 40%.

Un autre alliage intéressant mais de coulabilité moyenne, c'est "l'or nordique", comme l'indique son nom il ressemble à de l'or avec un aspect jaune brillant, mais bien sûr sans valeur. C'est un alliage avec 89% de cuivre, 5% d'aluminium, 5% de zinc et 1% d'étain.
Or nordique
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L'élémentarium
Présentation des alliages cuivreux industriels.
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L'élémentarium
Présentation des alliages cuivreux

Le modèle et le moule

Plusieures méthodes sont possible pour la réalisation du moule, et la fabrication du modèle va dépendre du choix du type de moule.
Nous ne parlerons pas des moules permanents en acier qui ne sont pas à la portée des amateurs et sont réservés aux grandes séries industrielles.

Nous allons réaliser des moules perdus, c'est à dire qu'ils ne servent que pour une seule coulée. Pour les fabriquer, plusieurs solutions sont possibles :

1- Moules en sable à vert
2- Moules en sable à prise chimique
3- Moules en plâtre pour PLA perdu

Moule et modèle en sable à vert
Les moules en sable à vert qui vont être faits en serrant du sable de fonderie sur un modèle puis en enlevant le modèle pour laisser l'empreinte de la pièce. Un moule en sable à vert garde une humidité résiduelle qui maintient le sable en place san pour autant être dangereuse avec le métal liquide.

Les modèles peuvent être faits manuellement, usinés ou encore plus simple imprimés en 3D, c'est cette dernière solution que j'ai choisi.

Il est facile de faire sont propre sable en mélangent du sable fin (grains <0,5mm) avec de l'argile (bentonite). Le sable se trouve en grande surface de bricolage, et l'argile aussi... au rayon animaux car la litière pour chats est parfaite.
Les moules en sable à prise chimique peuvent reste à la portée du bricoleur si on utilise du silicate de soude comme liant.
Le moule ou le noyau est formé avec un mélange de sable fin et de silicate de soude, avant de démouler il faut gazer le moule avec du CO2 pour provoquer le durcissement.
Le silicate de soude peut s'acheter sur le web ou bien il reste possible de le fabriquer soi même, mais attention car la manipullation de soude à chaud est dangereuse.

Le modèle ou la boite à noyaux peut avantageusement être imprimée en 3D.
Moule en sable et silicate de soude
Moule pour PLA perdu
La technique la plus adaptée aux pièces complexes est celle du PLA perdu, qui en fait n'est qu'une variante de la cire perdue courament utilisée en fonderie industrielle et en fonderie d'art.

On imprime un modèle et tout son système de coulée en PLA avec des paramètres qui utilisent le moins possible de PLA car il faudra l'éliminer avant coulée en cuisant le moule à haute température.

Une carapace est alors déposée tout autour du modèle pour former le moule. Cette carapace est faite avec un mélange de plâtre de Paris (1 volume), de sable fin (1 volume) et d'eau (1 volume), ajouter des petites mèches de fibre de verre et lors de la fabrication du moule, il faut renforcer avec des tresses de fibre de verre.
Pour en savoir plus sur les sables de fonderie, vous pouvez consulter mon article sur la fabrication maison de sable à vert et de sable à l'huile en suivant ce lien.
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Water glass
Recette pour fabriquer du silicate de soude (anglais)
Sable maison
Article Carnets JLS sur la fabrication de sables de fonderie
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Water glass
Fabriquer du silicate de soude
Sable maison
Carnets JLS, fabriquer son sable

Cuisson du moule et coulée

Cet article montre rapidement le proces de coulée depuis la cuisson du moule jusqu'à la pièce froide juste sortie de son moule. Chaque étape fera l'objet d'une description plus détaillée avec les cycles de cuisson, la préparation du bain de coulée, et le décochage facile du moule.
Cuisson du moule
Tous mes moules PLA perdu sèchent naturellement pendant une semaine minimum.

Le jour de la coulée, le moule est progressivement mis en chauffe afin d'une part de le sécher mais surtout pour éliminer totalement le PLA en le brulant. Cette cuisson dure entre 1h et 2h selon le moule.

L'élimination du PLA se fait four ouvert pour bien bruler les gaz générés par le PLA.
Une fois le PLA brulé, on ne voit plus de flammes, la montée finale en température est faite four fermé.

Le moule est prêt pour la coulée quand la partie haute a atteind 650°C.

Selon la complexité de la pièce il faut soit couler dans un moule très chaud, soit le laisser un peu refroidir ce qui dans ce cas facilite la solidification du bronze.
PLA éliminé
Le bronze est prêt pour la coulée
En parallèle avec la cuisson du moule, d'où l'importance de disposer de deux fours, le métal est préparé et monté à la température de coulée de 1200°C.

Le bain est composé des chutes des coulées précédentes, de métal neuf (cuivre et étain), d'additif de phosphore (baguettes de soudure) et nettoyé avec un flux spécial cuivreux.

La température peut se contrôler avec une sonde thermocouple, ou avec l'habitude simplement à l'oeil en contrôlant la couleur et la fluidité du bain.
L'opération la plus rapide de tout le procédé, c'est la coulée elle même, le remplissage du moule doit être très régulière en essayant d'entrainer le moins d'air possible dans le moule.

Il est très important de ne jamais s'arrêter de vider le métal jusqu'au remplissage complet du moule, sinon il y aura des défauts sur la pièce.

Une fois la coulée terminée, en général moins de 30 secondes, il ne faut surtout pas bouger le moule tant que la surface du métal n'est pas descendue à moins de 500°C.
Bronze coulé
Le volant brut
Et voilà le résultat final... quand tout se passe bien.

Un belle pièce sortie de son moule avec encore le canal de coulée et les évents.

La bonne conception des canaux de coulée, des évents et bien sûr de la pièce elle même se fait avec l'expérience. Chaque échec de coulée est très riche en enseignements, il faut bien observer la pièce et ses défauts pour comprendre ce qui se passe quand le métal est encore liquide dans le moule.
J'espère que cette page de présentation vous aura donné envie de faire vos propres expériences. Je suis à votre disposition pour vous donner les informations nécessaires sur mon procédé, pour cela aller à la page de contact.
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