Reproduction d'une pièce en aluminium sans documentation : du scan 3D à la pièce moulée finie

Une pièce en aluminium peut être reproduite sans plan : l'original est scanné en 3D, le scan sert à créer un modèle CAO, puis le modèle de fonderie, la pièce moulée et l'usinage des surfaces fonctionnelles. Une solution pour les services de maintenance, les ateliers de service et les propriétaires de machines anciennes, lorsque la pièce n'est plus disponible à l'achat et que la réparation n'est pas envisageable.

En bref

• Pour la reproduction, l'original suffit – même usé ou fissuré ; idéalement, avec tous ses fragments.
• Le modèle 3D de la pièce finie n'est pas encore le modèle de la pièce brute de fonderie : il faut ajouter les surépaisseurs d'usinage, les dépouilles de fonderie et le retrait.
• Pour une ou quelques pièces, on choisit généralement un moule en sable, que le manuel universitaire « Odlewnictwo » (WNT) juge économique quelle que soit la taille de la série.
• Une copie de pièce moulée sous pression réalisée en moule sable exige souvent des parois plus épaisses : le minimum est ici de 3–6 mm, contre 0,7–1,5 mm en moulage sous pression.
• L'alliage est déterminé par analyse de la composition chimique de l'original, ou choisi en fonction de la fonction de la pièce.

Quand la reproduction se justifie, et quand il vaut mieux réparer ou acheter la pièce

Refaire une pièce à partir de l'original est rentable lorsqu'elle est introuvable ou que son délai d'obtention est trop long. Avant de commander un scan, comparez trois options.

Situation	Généralement la meilleure option
Machine retirée de la production, constructeur disparu ou ne fournissant plus de pièces	reproduction à partir de l'original
Fissure isolée dans un alliage bien soudable, pièce peu sollicitée	réparation par soudage
Pièce disponible chez le constructeur dans un délai et à un prix acceptables	achat de la pièce d'origine
Vous avez besoin de quelques pièces maintenant et d'autres à l'avenir	reproduction – le modèle et la documentation sont conservés pour les commandes suivantes
La pièce se fissure toujours au même endroit	reproduction avec correction de conception

Une fissure toujours au même endroit est généralement un signal de conception, pas un hasard : changement d'épaisseur brutal, absence de congé ou nœud de matière massif. Lors d'une reproduction, on peut corriger cela, puisqu'un nouveau modèle est de toute façon créé. Nous expliquons dans un article distinct quand la réparation d'une fissure par soudage se justifie et quand ce n'est pas le cas.

Reproduction de la pièce pas à pas

1. Évaluation de l'original. Le technologue vérifie si la pièce est complète, son degré d'usure et le procédé dont elle est issue. De cela dépend s'il suffit de la scanner ou s'il faut reconstituer les fragments manquants.
2. Recueil des exigences. Fonction de la pièce, charges, température de service, contact avec un fluide, étanchéité, ajustements avec les pièces associées et quantité.
3. Numérisation 3D et mesures. Le scanner reproduit la surface de la pièce. Les alésages ajustés, les filetages et les plans de référence sont mesurés en complément avec des instruments à contact.
4. Modèle CAO. À partir du scan, on construit un modèle volumique qui restitue l'intention du concepteur (axes, plans et rayons), avec compensation de l'usure.
5. Choix de l'alliage. Sur la base de l'analyse de la composition de l'original ou des exigences fonctionnelles.
6. Choix du procédé. Selon la quantité, la taille et la précision requise : moule en sable, coquille ou, pour les grandes séries, moule de coulée sous pression.
7. Conception de la pièce brute et modèle de fonderie. On ajoute au modèle de la pièce les surépaisseurs, les dépouilles, le retrait et les portées de noyau, puis on réalise le modèle, par exemple en bois, en matière plastique, par impression 3D ou en aluminium.
8. Coulée et usinage. Après la coulée et le nettoyage, les surfaces fonctionnelles sont usinées sur CNC.
9. Contrôle et documentation. Mesure, essai de montage avec la pièce associée et, si la commande le prévoit, remise du modèle et du plan, afin que la commande suivante ne nécessite pas de nouvelle numérisation.

Le scan 3D n'est qu'un début : ce qu'il faut faire du modèle

Le résultat de la numérisation est un maillage décrivant la surface, généralement enregistré au format STL. Ce format sert à l'impression 3D et au prototypage rapide, mais la conception et l'usinage nécessitent un modèle volumique, le plus souvent transmis au format STEP.

Passer d'un scan à un modèle CAO (rétroconception, ou reverse engineering en anglais) est un travail de conception, et non une simple conversion de fichier. Le scan montre la pièce telle qu'elle est aujourd'hui : surfaces usées, déformations, traces de corrosion. Le concepteur reconstitue les cotes nominales, redresse les plans, positionne les axes des alésages et choisit les ajustements avec les pièces associées. Les parties manquantes sont complétées à partir de la symétrie ou de la géométrie des éléments auxquels la pièce se raccorde.

La deuxième étape consiste à transformer le modèle de la pièce finie en modèle de la pièce brute de fonderie. On ajoute :

• des surépaisseurs sur les surfaces qui seront usinées ; leur valeur découle des tolérances dimensionnelles et surépaisseurs d'usinage des pièces moulées,
• des dépouilles de fonderie dans le sens d'extraction du modèle hors du moule,
• retrait de fonderie – le modèle est plus grand que la pièce moulée d'une valeur adaptée à l'alliage et au mode de moulage,
• des portées de noyau pour les trous et canaux qui ne peuvent pas être formés directement dans le moule,
• des congés et des transitions progressives d'épaisseur, qui limitent les fissures.

Le retrait est déterminé par le technicien de fonderie. Le modèle doit même tenir compte du mode de moulage : lors du serrage mécanique du sable sous forte pression, le retrait linéaire pris en compte diminue d'environ 30 %, car le sable reprend de l'élasticité une fois la pression relâchée (p. 280). Un modèle pour moulage manuel et un modèle pour ligne automatique ne sont donc pas interchangeables.

Quel alliage ? Analyse de l'original et anciennes désignations

La voie la plus sûre est l'analyse de la composition chimique de l'original au spectromètre. C'est le même type d'appareil que celui utilisé en fonderie pour contrôler en continu la composition des coulées. L'analyse nécessite généralement de préparer une petite zone plane sur la pièce ; il est donc préférable de déterminer à l'avance où elle peut être réalisée.

Le résultat est comparé aux nuances de la norme PN-EN 1706. Sur les anciens plans et plaques signalétiques, on rencontre d'anciennes désignations polonaises, par exemple AK7, AK9 ou AK11, où le nombre qui suit les lettres AK correspond à la teneur moyenne en silicium (p. 147). Nous expliquons comment les convertir en nuances actuelles dans l'article consacré aux anciens symboles AK et à leurs équivalents EN AC.

Lorsque l'analyse n'est pas possible, l'alliage est choisi en fonction de la fonction de la pièce : résistance requise, service en milieu corrosif, étanchéité, usinage ultérieur et revêtement. Un même alliage présente en outre des propriétés différentes selon le procédé. Par exemple, pour l'AlSi9Mg, la résistance minimale à la traction est plus élevée en coquille et en coulée sous pression qu'en moule en sable.

Identifiez la technologie de l'original avant de choisir celle de la copie

Les traces sur la pièce indiquent comment elle a été fabriquée. Les marques rondes des éjecteurs révèlent un moule métallique, c'est-à-dire une coquille ou un moule de coulée sous pression. Des parois très minces et une surface lisse caractérisent généralement une pièce moulée sous pression. Une surface granuleuse et des parois plus épaisses suggèrent un moulage au sable.

Le procédé employé pour la copie peut différer de celui de l'original, mais les possibilités changent alors :

Paramètre (alliages d'aluminium)	Moule en sable	Coquille	Moulage sous pression
Épaisseur de paroi minimale	3–6 mm	2,5–5 mm	0,7–1,5 mm
Rugosité Ra de la surface brute	4–10 µm	4–6 µm	0,8–1,6 µm
Taille de série économique	chacune	à partir d'env. 400 pièces (pièces moulées simples), à partir d'env. 1 000 pièces (pièces complexes)	à partir d'env. 2 500 pièces

Source : manuel « Odlewnictwo » (WNT), tabl. 3.20, 3.22 et 3.23. Valeurs indicatives, variables selon la taille et la forme de la pièce.

Conséquence pour les pièces à l'unité : la copie d'une pièce moulée sous pression est généralement réalisée en moule en sable ; les parois trop minces doivent donc être épaissies et les surfaces fonctionnelles lisses usinées. L'épaississement modifie la masse et parfois l'encombrement nécessaire au montage ; il est donc vérifié dans le modèle CAO avant la réalisation du modèle de fonderie. L'alliage change souvent lui aussi : les nuances destinées au moulage sous pression sont choisies pour ce procédé, alors qu'un moule en sable requiert un alliage aux bonnes propriétés en moulage au sable, parfois avec traitement thermique.

Modèle de fonderie, pièce moulée et usinage de finition

Pour une ou quelques pièces, le coût du modèle est réparti sur un très petit lot ; on choisit donc l'exécution la plus simple, suffisante pour le nombre de moulages nécessaire. L'outillage est réalisé une seule fois et sert à toute la production de la pièce, tandis que les autres opérations sont répétées pour chaque pièce moulée (p. 106). Les modèles durables sont fabriqués en bois, en métal ou en matière plastique (p. 111–112) ; aujourd'hui, ils sont souvent imprimés en 3D ou fraisés dans des plaques de modelage. Les matériaux, la durée de vie et la propriété des modèles sont décrits dans notre article sur les modèles de fonderie et les autres outillages.

Les pièces moulées à l'unité sont généralement moulées à la main, et le moulage manuel est moins précis que le moulage mécanique (tabl. 5.2). Pour les pièces en alliages non ferreux moulées en sable à vert argileux, le manuel indique de manière générale une tolérance de ±0,8 mm pour les cotes jusqu'à 150 mm (tabl. 3.21), sans distinguer le mode de moulage. C'est pourquoi les ajustements, les logements de roulements, les plans d'étanchéité et les filetages sont conçus avec une surépaisseur et réalisés sur des machines CNC 3 et 5 axes.

La dernière étape est le contrôle : mesure des cotes critiques et essai de montage avec la pièce associée. Si la pièce travaille sous la pression d'un fluide, il est conseillé d'ajouter un essai d'étanchéité à la commande.

Ce qu'il faut préparer avant d'envoyer votre demande

Plus vous fournissez d'informations au départ, moins il y a de questions et plus le chiffrage est rapide. Préparez :

• des photos de la pièce sous plusieurs angles, avec un mètre dans le cadre, ainsi que des photos de l'emplacement de montage,
• l'original ou tous ses fragments et, si possible, les pièces associées,
• une description de la fonction et des conditions de service : charges, température, fluide, étanchéité requise,
• la liste des surfaces ajustées et des cotes à respecter,
• la quantité actuelle et celle envisagée pour les commandes suivantes,
• les références connues : numéro de catalogue, alliage indiqué sur la plaque signalétique ou sur un ancien plan.

Vous trouverez la liste complète des données utiles pour toute commande dans l'article sur les informations à préparer pour une demande de devis. Nous expliquons le déroulement d'une commande dans l'article consacré aux facteurs qui déterminent le délai de réalisation d'une pièce moulée.

Droit de reproduire la pièce

La pièce peut être protégée par un droit de propriété industrielle, par exemple en tant que dessin ou modèle enregistré ou de solution brevetée. Avant de commander une copie, assurez-vous que vous êtes en droit de la faire réaliser, surtout si les pièces sont destinées à la vente. En cas de doute, il est préférable de clarifier la situation avec le titulaire des droits ou avec un conseil en propriété industrielle avant la commande.

Questions fréquentes

Nous reproduisons votre pièce à partir de l'original

La tradition familiale de la fonderie remonte à 1950 et a débuté par la fabrication de modèles de fonderie. Aujourd'hui, notre fonderie de Poznań associe la numérisation 3D et la préparation de modèles de fonderie à la fonderie d'aluminium et à l'usinage CNC. Envoyez-nous des photos de la pièce pour un devis et décrivez son usage : nous vous dirons s'il vaut mieux la reproduire, la réparer ou la réaliser autrement.

Sources et normes

• M. Perzyk (dir.), Fonderie, WNT, Varsovie – chap. 2.1 (p. 106), 2.2 (types de modèles), 3.1 (alliages d'aluminium, tabl. 3.8), 3.2 (règles de conception pour la fonderie, tabl. 3.12), 3.3 (tabl. 3.20–3.23), 4.2.6 (analyse de la composition chimique), 5.2–5.3 (compactage du sable et moulage, tabl. 5.2).
• PN-EN 1706:2020+A1:2021 – Aluminium et alliages d'aluminium – Pièces moulées – Composition chimique et caractéristiques mécaniques