Qu'est-ce que le procédé d'extrusion de l'aluminium ?

Qu'est-ce que l'extrusion d'aluminium ?

L'extrusion d'aluminium est un procédé de déformation plastique qui consiste à placer un lingot d'alliage d'aluminium préchauffé (ramolli à 350-500 °C) dans le conteneur d'une presse d'extrusion. La pression appliquée force le lingot à s'écouler à travers les ouvertures (matrices) du moule, ce qui induit une déformation plastique directionnelle. Ce procédé permet d'obtenir des pièces ou des produits semi-finis présentant la forme, les dimensions et les propriétés mécaniques spécifiques souhaitées.

L'extrusion est comparable à l'application d'un tube de dentifrice.

Au cours de ce processus, l'alliage d'aluminium subit un fluage plastique et un remodelage de sa section :

• Les particules métalliques à l'intérieur du lingot se déplacent dans le sens de la cavité de la matrice.
• Les grains s'allongent et se réorganisent.
• Les propriétés mécaniques du matériau peuvent être améliorées par renforcement par déformation.

Pour les profilés creux complexes, comme la traverse de protection automobile illustrée, le lingot d'aluminium est divisé sous pression en plusieurs flux métalliques. Ces flux traversent les orifices et convergent dans la chambre de soudage. Ils sont ressoudés sous haute température, haute pression et vide poussé, puis s'écoulent par l'espace entre le mandrin et l'ouverture de la matrice. On obtient ainsi des profilés tubulaires ou creux répondant aux dimensions et performances requises. Si un cintrage est nécessaire, un outil de cintrage est ajouté à l'équipement en aval.

Matrice d'extrusion

En tant qu'ingénieurs en conception de structures de produits, même si nous ne concevons pas les filières d'extrusion d'aluminium, il est essentiel de comprendre leur structure de base et le mécanisme qui permet de former différents profils extrudés. Ces connaissances contribuent à optimiser les conceptions afin de réduire les coûts des filières et d'améliorer l'efficacité de la production de pièces extrudées.

Qu'est-ce qu'une filière d'extrusion ?

Une filière d'extrusion est essentiellement un disque d'acier circulaire épais comportant une ou plusieurs ouvertures permettant d'obtenir le profil souhaité. Elles sont généralement fabriquées en acier à outils H13 et traitées thermiquement pour résister à la pression et à la chaleur lors du passage de l'aluminium chaud à travers la filière. Bien que l'aluminium soit un métal relativement mou, une pression considérable est nécessaire pour pousser un lingot d'aluminium massif à travers une filière d'extrusion en aluminium mince et poreuse afin d'obtenir la forme requise.

Classification des matrices

En fonction de la forme de la section transversale de la pièce extrudée en aluminium, les matrices correspondantes sont classées en 3 types :

1. matrices solides
2. matrices semi-creuses
3. matrices creuses

Parmi celles-ci, la matrice creuse possède la structure la plus complexe, est sujette à l'usure et à la rupture, et a le coût le plus élevé.

Matériaux d'extrusion d'aluminium

Les alliages d'aluminium adaptés à l'extrusion comprennent les séries 2XXX, 6XXX et 7XXX. La série 6XXX est la plus répandue en raison de son excellent rapport qualité-prix.

Aluminium série 5XXX : principalement 5052. Ces alliages présentent une excellente résistance à la corrosion, mais une résistance mécanique moindre. Ils conviennent aux applications à faible contrainte et haute résistance à la corrosion, courantes dans le secteur de la construction.

Aluminium de la série 6XXX : principalement les alliages 6061, 6063, 6005 et 6082. Ils contiennent du magnésium et du silicium et présentent une bonne extrudabilité. Après traitement thermique T6, ils offrent une résistance modérée et un coût réduit. Cette série est le matériau d’extrusion le plus utilisé dans les véhicules à énergies nouvelles (VEN).

Exemple 1 : Les carters de moteur sont extrudés à partir de 6061 pour intégrer des sections transversales complexes avec des canaux de refroidissement intégrés. Le 6061 offre également de meilleures performances de dissipation de chaleur (conductivité thermique de 201 W/m·K).

Alliages d'aluminium de la série 7XXX : principalement l'alliage 7075. Ils offrent une résistance extrêmement élevée. L'extrusion est complexe car elle exige une pression plus élevée et des matrices de haute précision. Ils conviennent aux pièces soumises à des exigences de résistance strictes, telles que les pièces extrudées en alliage d'aluminium utilisées dans l'automobile, illustrées sur la figure.

Avantages de l'extrusion d'aluminium

Précision dimensionnelle élevée

Les différents procédés de production d'alliages d'aluminium offrent des niveaux de précision variables. Pour les pièces structurelles moulées sous vide , les écarts dimensionnels sont souvent importants en raison du retrait et de la déformation induits par le traitement thermique, pouvant parfois atteindre 1 à 3 mm. En revanche, l'extrusion d'aluminium permet généralement d'obtenir une meilleure précision dimensionnelle en coupe transversale, avec des dimensions plus stables et plus faciles à contrôler.

Grâce à un usinage et une modification de haute précision des matrices, les profilés en aluminium extrudé destinés à l'automobile répondent parfaitement aux exigences de précision dimensionnelle de nombreux produits automobiles . La précision dimensionnelle de la section transversale du profilé extrudé satisfait généralement aux exigences de conception du produit, avec une précision contrôlable à 1 mm près. Par conséquent, en termes de précision dimensionnelle, l'extrusion d'aluminium est un procédé éprouvé, performant et compétitif.

Moins d'étapes de fabrication

Grâce à la complexité et à la diversité des sections transversales possibles des profilés en aluminium extrudé , et à la grande liberté offerte par la conception de l'épaisseur des parois, les ébauches issues de l'extrusion présentent une précision dimensionnelle élevée. Ceci permet de minimiser le nombre de pièces à concevoir et les étapes de fabrication, de l'ébauche extrudée à la pièce finie. Les pièces peuvent être livrées prêtes à l'emploi après des opérations telles que la découpe, le perçage, le poinçonnage, l'usinage et le pliage. Un traitement thermique peut également être ajouté si des ajustements des performances mécaniques sont nécessaires.

Excellente conductivité thermique

L'aluminium est largement utilisé dans l'automobile pour le transfert de chaleur dans les systèmes de refroidissement et de chauffage. Les alliages d'aluminium présentent une conductivité thermique supérieure par unité de poids à celle de la plupart des autres métaux. On les retrouve notamment dans les dissipateurs thermiques des contrôleurs d'essieux moteurs électriques, les modules de refroidissement à l'avant des véhicules et les conduites d'eau glacée des systèmes de climatisation.

Les profilés en aluminium extrudé peuvent être façonnés en tubes creux afin d'éviter ou de réduire les risques de fuites de liquide. Les canaux de refroidissement des carters de moteurs, les raccords de tuyauterie et les conduites de refroidissement des batteries utilisent tous des profilés en aluminium extrudé. De plus, dans les environnements soumis à des exigences de compatibilité électromagnétique (CEM), les profilés en aluminium sans soudure offrent un excellent blindage.

Connexion et assemblage faciles

Les pièces en alliage d'aluminium peuvent être assemblées de diverses manières : soudage, soudage par friction-malaxage (FSW), assemblage mécanique (notamment FDS et SPR), collage, enrobage et encliquetage. Ces méthodes conviennent toutes à l'assemblage de profilés en aluminium avec d'autres matériaux. Pour le montage, la fixation par boulonnage offre de nombreuses possibilités.

Cycle de production court

Les pièces extrudées en aluminium offrent un avantage significatif dans les cycles de développement courts, que ce soit pour la production en faible volume de véhicules prototypes et de pièces à outillage souple, ou pour la production en grande série de pièces à outillage rigide.

• Le cycle allant de l'ouverture du moule à la production de pièces pour les profilés extrudés en aluminium simples n'est que de 1 à 2 semaines.
• Même pour certains grands profilés extrudés en aluminium pour l'automobile présentant des sections transversales complexes, tels que les carters de moteur et les longerons, le cycle d'ouverture du moule n'est que d'environ 4 semaines.
• En revanche, les cycles d'ouverture des moules pour les pièces de fonderie et d'emboutissage varient généralement de 4 à 16 semaines.
• Bien que le prototypage rapide via Impression 3D Le frittage de poudres métalliques, bien que présentant des cycles de production plus courts pour les pièces unitaires, est plus coûteux. Il ne permet parfois pas de répondre aux exigences en termes de quantité ou de performance des pièces.

Faible coût de matrice

Le coût d'un jeu de filières d'extrusion pour profilés en aluminium varie de quelques milliers à plusieurs dizaines de milliers de dollars. C'est nettement moins cher que les centaines de milliers, voire les millions de dollars, nécessaires pour les filières de fonderie et d'emboutissage. Pour les équipementiers, l'adoption de pièces extrudées permet de réaliser d'importantes économies sur l'investissement initial, de réduire le coût des modifications de conception ultérieures et d'accroître la flexibilité de conception.

Défis de l'extrusion d'aluminium

Conception et fabrication de matrices

Pour les matrices à section complexe, le débit de métal doit être calculé avec précision afin d'éviter un écoulement localisé, soit trop rapide (provoquant des fissures, notamment dans les parois fines), soit trop lent (entraînant un remplissage insuffisant). La précision d'usinage des matrices doit atteindre 0.01 mm, ce qui engendre des coûts élevés.

Précision dimensionnelle

En raison de la dilatation et de la contraction thermiques du matériau, ainsi que des fluctuations de la vitesse d'extrusion, les pièces sont susceptibles de présenter des écarts dimensionnels (par exemple, des erreurs de rectitude supérieures à 0.5 mm/m). Il est alors nécessaire de procéder à une correction par étirage et redressage, suivie d'un usinage.

Qualité de surface

Des défauts tels que des rayures, des dépôts d'oxyde résiduels et des bulles d'air peuvent apparaître. Un contrôle rigoureux de la qualité de surface de la billette et de la rugosité de la matrice (Ra inférieure à 0.8 µm) est indispensable.

Extrusion de pièces de grande taille

Des pièces telles que les boîtiers de batteries NEV (d'une longueur supérieure à 2 m) nécessitent des presses d'extrusion de tonnage important (plus de 5 000 tonnes) et sont sujettes à la déformation en raison d'un flux de métal irrégulier.

Caractéristiques de conception des pièces extrudées en aluminium

Dimensions de la pièce extrudée

La taille d'une pièce extrudée est évaluée par le diamètre du cercle circonscrit (DCC). Comme illustré sur la figure, l'objectif est de minimiser le DCC.

Évitez les structures asymétriques

La section transversale doit être symétrique et simple. Les sections transversales asymétriques et déséquilibrées augmentent la complexité de la production par extrusion et sont sujettes à des problèmes de qualité.

• Difficulté à garantir la précision dimensionnelle.
• Difficulté à garantir la planéité.
• Les pièces se déforment au centre.
• Faible efficacité de production.
• Les matrices sont sujettes à l'usure lors de la production en série.

Epaisseur

L'épaisseur de paroi d'une pièce extrudée dépend du matériau, de sa forme et du diamètre de son cercle circonscrit (DCC). La forme de l'extrusion influe également sur l'épaisseur de paroi optimale. Comme illustré sur la figure (en rouge pour les structures tubulaires, en bleu pour les structures non tubulaires) [Image montrant la relation entre le DCC et l'épaisseur de paroi optimale], l'épaisseur de paroi la plus appropriée augmente avec le DCC.

Adapter

Les tolérances d'assemblage avec d'autres composants (tels que les modules de batterie) doivent être de 0.1 mm. Ceci permet d'éviter les difficultés d'assemblage dues aux variations dimensionnelles des pièces extrudées. Parallèlement, la tolérance d'épaisseur de la pièce doit tenir compte des exigences de performance, tout en conservant une marge de conception.