L'industrie de la fabrication métallique progresse de la mise en forme à la finition

Considérez les instruments de précision que vous avez entre les mains ou les composants essentiels d'un moteur de voiture. Comment les matières premières se transforment-elles en produits finaux avec des formes, des caractéristiques de performance et des propriétés de surface spécifiques ? La fabrication de pièces métalliques est un processus complexe qui intègre de multiples techniques. Cet article explore les étapes complexes de la production de composants métalliques, du façonnage initial aux traitements de surface avancés, révélant la science et la technologie sous-jacentes. Nous examinerons divers procédés de fabrication et discuterons de la manière de sélectionner la combinaison optimale de techniques pour obtenir les meilleures performances et le meilleur rapport coût-efficacité.

La fabrication de composants métalliques implique généralement une série de procédés, largement classés en opérations primaires et secondaires. De nombreuses pièces nécessitent une combinaison des deux. Pendant la production, les composants non finis sont appelés "travaux en cours" (WIP), en attente d'un traitement ultérieur.

• Procédés primaires : Ceux-ci façonnent les matériaux en formes proches des dimensions et de la géométrie finales. Ils établissent la structure fondamentale et la répartition des matériaux de la pièce.
• Procédés secondaires : Ceux-ci modifient la surface, les propriétés des matériaux ou appliquent des revêtements au WIP. Lorsque les procédés primaires seuls ne peuvent pas répondre aux exigences de conception, des opérations secondaires sont employées. Après le traitement primaire, le WIP devient le "substrat". Par exemple, dans une pièce en alumine frittée avec un revêtement métallique, l'alumine sert de substrat. Dans une vis en acier galvanisé, l'acier est le substrat.

Les procédés primaires constituent le cœur de la fabrication de composants métalliques, définissant la structure de base de la pièce. Voici les principaux types d'opérations primaires :

Le moulage et la coulée consistent à injecter du matériau fondu dans un moule, à le laisser se solidifier, puis à éjecter la pièce façonnée. Ces méthodes s'appliquent aux métaux, aux polymères et au verre. Pour les plastiques, les techniques courantes incluent le moulage par injection et le moulage par soufflage ; pour les métaux, la coulée sous pression, la coulée au sable et la coulée à la cire perdue sont courantes.

• Moulage par injection de plastique : Des granulés thermoplastiques entrent dans une trémie et alimentent une machine d'injection. Une vis rotative transporte le matériau vers l'avant tandis que le frottement et les zones de chauffage le font fondre. Une fois qu'une quantité suffisante de plastique fondu s'est accumulée, la vis l'injecte dans la cavité du moule. Après refroidissement, le moule s'ouvre et la pièce est éjectée.
• Coulée sous pression : Le métal en fusion est forcé dans une cavité de moule. Lors de la solidification, le moule s'ouvre et la pièce est éjectée.

Tous les procédés de moulage et de coulée nécessitent un contrôle de la composition du matériau et de la température de fusion. Des variables supplémentaires telles que la pression d'injection, la température du moule, le minutage de l'éjection et la lubrification du moule peuvent également être critiques.

Ce procédé compacte de la poudre métallique ou céramique dans un moule sous pression, puis la sinterise dans un four à haute température pour fusionner les particules en une pièce solide. Le pressage à chaud et le pressage isostatique à chaud combinent le compactage et le frittage.

Les pièces frittées idéales présentent une porosité contrôlée, conçue grâce aux paramètres de compactage et de frittage pour obtenir les propriétés souhaitées.

Ces procédés façonnent des métaux ou des polymères solides par déformation mécanique. Les matières premières comprennent des feuilles, des tubes, des barres ou des ébauches, parfois chauffées pour faciliter le formage. Les pièces métalliques peuvent être estampées, étirées, forgées ou extrudées ; les polymères sont façonnés par moulage par compression ou thermoformage.

• Moulage par compression : Les pièces en plastique se forment à partir de poudre, de granulés ou de préformes. Lorsque le moule se ferme, la compression génère un cisaillement, tandis que les moitiés de moule chauffées ramollissent le matériau pour remplir les cavités. La chaleur et la pression continues durcissent le plastique.

Ce procédé soustractif enlève de la matière des feuilles, des blocs ou des barres pour affiner les pièces moulées ou moulées, obtenir des tolérances plus strictes ou modifier l'esthétique. Les techniques incluent l'usinage, la gravure chimique et le traitement au faisceau laser, applicables aux métaux, aux polymères et aux céramiques.

• Usinage : Comprend le meulage, le fraisage et le perçage.
• Gravure chimique : Crée des caractéristiques fines sur des feuilles de métal minces ou supprime les sections indésirables.
• Traitement au faisceau laser : Perce ou coupe des métaux, des polymères et des céramiques.

La stratification assemble des couches de matériaux individuelles en structures multicouches, souvent pour les composites. Les couches sont pressées ensemble avec ou sans adhésifs, parfois sous l'effet de la chaleur.

Les procédés secondaires modifient les WIP et se répartissent en trois catégories :

• Modification des matériaux : Modifie les propriétés sur la section transversale de la pièce.
• Modification de surface : Modifie les caractéristiques de surface.
• Dépôt de revêtement : Applique ou fait croître des revêtements sur les surfaces.

Le traitement thermique modifie la microstructure du métal pour améliorer la résistance, la ductilité ou les propriétés magnétiques. Les cycles de chauffage et de refroidissement contrôlés varient selon le matériau et les résultats souhaités.

• Alliages d'acier : Chauffés dans des fours, puis refroidis à des vitesses affectant la microstructure. Le refroidissement lent se produit à l'air ; le refroidissement rapide utilise la trempe à l'huile ou à l'eau.
• Alliages d'aluminium, de cuivre et de nickel : Renforcés par un traitement de mise en solution (chauffage et refroidissement rapide) suivi d'un durcissement par précipitation (vieillissement à des températures plus basses).

Les méthodes chimiques, mécaniques ou thermiques affinent la composition, la texture ou la chimie de surface pour améliorer la résistance à l'usure, la durée de vie à la fatigue, le frottement ou la capacité de liaison.

• Traitement thermique de surface : Les procédés tels que la trempe par induction, au laser ou à la flamme créent des couches de surface durables sur un cœur ductile.
• Procédés thermochimiques : La cémentation, la nitruration ou la carbonitruration diffusent des éléments dans les surfaces pour former des couches dures.
• Procédés mécaniques : Grenaillage (améliore la résistance à la fatigue), sablage (nettoie/rugosifie) ou meulage (finit les surfaces).
• Nettoyage chimique : Élimine les contaminants à l'aide d'acides, d'alcalis ou de solvants.

Des couches minces (de nanomètres à micromètres) améliorent la résistance à l'usure, à la corrosion ou l'esthétique au-delà des capacités du substrat. Les exemples incluent :

• Galvanoplastie : Immerge les pièces dans des solutions conductrices ; le courant dépose des ions métalliques (par exemple, cuivre, or, nickel) sur les surfaces.
• Revêtements de conversion : Croissent par réactions chimiques (par exemple, phosphatation sur l'acier, chromatation sur l'aluminium).
• Anodisation : Oxyde électrochimiquement les surfaces d'aluminium, de magnésium ou de titane.
• Peinture/Revêtement en poudre : Applique des liquides à base de polymères ou des poudres sèches, durcies par chauffage.
• Dépôt sous vide : Pulvérise ou évapore des métaux (par exemple, aluminium, titane) dans des chambres à vide.
• Projection thermique : Projette des gouttelettes fondues (métaux, céramiques) sur les surfaces par des méthodes à la flamme, à l'arc ou au plasma.

Certains composants subissent plusieurs procédés secondaires. Par exemple, le sablage peut précéder la peinture pour nettoyer et rugosifier les surfaces. Les matériaux de pré-revêtement (par exemple, le zinc sur les tôles d'acier) avant le formage peuvent réduire les coûts par rapport au revêtement après le formage.

Au-delà du façonnage en vrac, les techniques de dépôt, de gravure ou de conversion chimique construisent des structures complexes, en particulier dans l'électronique (par exemple, circuits intégrés, MEMS). Ici, les substrats fournissent un support mécanique tout en s'intégrant dans des conceptions fonctionnelles.