La fabrication d’une pièce en métal doit être pensée dès la phase de design, en effet les contraintes de fabrication, de quantité et de qualité ne sont pas les mêmes selon les procédés utilisés.
L’objectif de cet article est de donner une présentation simplifiée des différents procédés, afin de donner un aperçu des différentes possibilités de fabrication d’une pièce technique en métal et leurs caractéristiques.
| Procédé | Avantages | Inconvénients | Coût |
|---|---|---|---|
| Usinage | -Flexible -permet de bons états de surface -Peu de risque de défaut matière -Disponible pour toutes les matières | -Certaines formes complexes difficiles à réaliser
-Relativement lent -Création de beaucoup de déchets | Moyen |
| Fonderie | -Permet certaines formes complexes
-Reproductibilité des pièces | -Contraintes de formes pour le démoulage
-Toutes les matières ne sont pas disponibles | -Faible pour les grandes séries -Coûts d’outillages élevés |
| Extrusion | -Grande productivité
-Bonne qualité matière | -Types de formes très limités
-Limitation des matières disponibles | Faible |
| Forge | -Très bonne qualité matière
-Cadences de fabrication élevées | -Types de formes limités | Bon marché pour des pièces simples en grande quantité |
| fabrication additive | -Pas de déchet matière
-Réalisation de formes très complexes -Possible pour la réalisation de pièces unitaires | -Lent
-Peu de matières disponibles | Coût élevé par pièce, mais ne nécessite pas de coûts d’outillages |
Usinage
L’usinage de pièces métalliques nécessite l’achat de matière première en bloc et l’utilisation d’un outil de coupe monté sur une machine.
La pièce métallique sera réalisée par enlèvement de copeaux, il y a donc création d’une certaine quantité de matière rejetée.
Centre d’usinage
Le centre d’usinage est l’équipement de base pour la réalisation d’une pièce métallique usinée. Un outil de coupe est mis en rotation sur un bras articulé et va chercher à enlever de la matière au contact de la pièce à usiner placée sur support.
Il existe de nombreux types de centres d’usinage, la plupart sont à commande numérique (d’où l’appellation CNC Centre à Commande Numérique) et peuvent avoir des tailles très différentes en fonction des pièces à réaliser. La complexité des pièces réalisables sur une CNC dépend du nombre d’axes de rotation des machines, nous parlons souvent de centres 3 axes, 4 axes, 5 axes, plus le nombre d’axes est élevé, plus les outils peuvent réaliser des formes complexes.
En général les centres d’usinage peuvent travailler toutes les matières (aluminium, aciers, plastiques) selon les outils de coupes utilisés. Il est néanmoins plus intéressant de les spécialiser pour mieux utiliser ses outils et éviter les pollutions de copeaux qui seront plus difficiles à valoriser.
Centre d’usinage à commande numérique
Tour
Les tours d’usinage permettent le travail sur des pièces à symétrie rotative. En effet, sur les tours ce ne sont pas les outils de coupes qui tournent à grande vitesse mais les pièces, l’outil de coupe venant être placé au contact de la pièce qui tourne sur elle-même.
Par exemple les pistons sont habituellement réalisés sur des tours.
Décolleteuse
Une décolleteuse est une machine d’usinage spécialisée sur la réalisation de petites pièces de révolution en grande quantité, elles sont souvent à charge automatique, des tiges de matières métalliques étant directement chargées dans la machine, usinées et découpées. La plupart des tiges filetés sont réalisées de cette manière.
Décolleteuses
Fonderie
Le procédé de fonderie correspond à chauffer un métal pour le transformer en état liquide et le couler dans un moule pour réaliser une pièce en négatif de la forme du moule. Il existe différents types de fonderie offrant des caractéristiques particulières:
Fonderie gravité
Il s’agit du type de fonderie la plus courante et peut être réalisée pour toutes les matières métalliques. La fonderie peut être effectuée dans un moule métallique (fonderie coquille) ou via un moule en sable/silice (fonderie sable, fonderie à la cire perdue).
La fonderie gravité est une méthode de fabrication très peu onéreuse, nécessitant un faible investissement en outillage et idéal pour les moyennes séries. Cependant la qualité d’aspect des pièces est faible et des retassures sont également présentes sur le procédé de fonderie sable.
Fonderie sous-pression
La fonderie sous-pression a été développée avec les besoins de l’automobile, elle permet grâce à la mise en pression du métal fondu d’atteindre des cadences de fabrication très rapides et des épaisseurs de paroi très faibles. Ce procédé est principalement utilisé pour l’aluminium et le ZAMAK. Le prix des moules est très élevé, mais pour de grandes séries il peut être compensé par un prix pièce unitaire très compétitif.
Tôlerie
La réalisation de pièces en tôlerie correspond à la fabrication d’une pièce en métal à partir de tôles de matières. Ces tôles, de toutes matières, vont pouvoir être transformées selon différents procédés :
Pliage-découpe
La première étape de la tôlerie est souvent la découpe de la tôle en une prédécoupe qui va faciliter son pliage.
Presse plieuse
Poinçonnage
Le poinçonnage permet la découpe de la tôle et également la réalisation d’espaces vides qui se retrouveront au final sur la pièce pliée.
Découpe laser / au jet d’eau
La découpe laser est un procédé toujours en développement et permet de réaliser rapidement des découpes de tôles complexes avec une bonne uniformité de la qualité des bords de découpe.
Machine de découpe laser
Mécano-soudure
Les tôles pliées ou non peuvent être assemblées entre elles ou avec d’autres éléments métalliques grâce à des procédés de soudure, qui permettent la fabrication de structures très solides.
Extrusion
L’extrusion est un procédé réservé aux métaux les plus légers (principalement l’aluminium) et permet la réalisation de pièces correspondant à un étirement d’une forme 2D. Un cylindre d’aluminium est pressé contre un moule d’extrusion, correspondant à la forme 2D en vide. La matière prend la forme du moule à mesure qu’elle est forcée au travers.
La forme des pièces extrudées est entièrement dépendante de la forme de l’outillage. Les pièces rectilignes ainsi fabriquées, peuvent ensuite être débitées en différentes longueurs et être autrement travaillées (usinées, percées)
Forgeage
Le forgeage de pièce métallique correspond à une frappe de blocs en métal avec un outil soit de type marteau-pilon soit de type matrice. Les pièces métalliques réalisées en forge peuvent être de toute dimensions et sont en général plébiscités pour leurs fortes résistances mécaniques notamment par rapport à la fonderie et à l’usinage.
Les pièces réalisées en forge sont très utilisées pour tout ce qui est pièces de sécurité : mousquetons, connecteurs, agrafes etc..
Il existe principalement deux types de forges :
Forgeage à froid
Les blocs de matière sont frappés à température ambiante, ce type de procédé est principalement utilisé pour des métaux relativement souples (Aluminium, cuivre..). La frappe à froid va durcir les pièces ainsi réalisées, ce procédé nécessite plus de force qu’une frappe à chaud mais produit des pièces de plus faibles tolérances dimensionnelles.
Forgeage à chaud
Procédé préféré notamment pour l’acier, la matière est préchauffée (dans le cas de l’acier autour de 1000°C) avant d’être frappée soit avec un marteau-pilon soit avec une matrice dont la matière prendra la forme.
Forgeage à chaud
Impression 3D de métaux
Plus justement appelée fabrication additive, il s’agit du procédé le plus moderne pour la fabrication de pièces métalliques, les premières pièces industrielles en métal réalisées en 3D étant sorties au début du 21ème siècle.
Le procédé, bien connu pour les polymères est également de plus en plus présent pour les métaux, permettant la réalisation de pièces complexes, comportant des évidements fermés, ou des structurations élaborées de toutes tailles.
La fabrication ne nécessite qu’une imprimante 3D et un modèle numérique des pièces à réaliser. Les pièces seront réalisées niveau par niveau, par rajout ponctuel de poudre métallique fondue par laser ou plasma.
La fabrication additive s’oppose à l’usinage qui est effectué par enlèvement de matière et donc produit beaucoup plus de déchet.
La qualité des pièces métalliques réalisées en fabrication additive s’est beaucoup améliorée ces dernière années, surtout sur l’état de surface ou le grain de fabrication n’est plus discernable à l’œil nu. Le principal défaut de la fabrication additive pour le métal est sa lenteur de réalisation qui limite ce procédé à de petites ou moyennes séries et n’est pas compétitif pour des pièces relativement simples.
