Matériaux-procédés

Les produits issus des secteurs de la mécanique sont très généralement des ensembles constitués de différentes pièces ayant chacune une ou des fonctions principales. Ces fonctions requièrent de chaque pièce un certain nombre de spécifications en rapport avec la tenue mécanique, les propriétés magnétiques ou électriques et la durabilité en service. La compatibilité du produit par rapport aux conditions de service est assurée en partie par les caractéristiques intrinsèques des matériaux mis en uvre. Ces caractéristiques permettent de destiner certaines classes de matériaux à des usages spécifiés. Parmi les diverses caractéristiques courantes des matériaux en usage dans l'industrie mécanique, citons :

• contrainte limite de rupture,
• dureté,
• ténacité,
• sensibilité aux attaques chimiques,
• tenue à haute température,
• conductivité électrique,
• propriétés magnétiques,
• conductivité thermique,
• masse volumique.

Outre ces caractéristiques, les matériaux sont disponibles sous différentes formes. Ainsi des états de livraison en particules, en granulés, en barres, en plaques, en lingots, en fils, en tissus ou en films sont couramment rencontrés. La forme et la morphologie sous laquelle se présente la matière première est un élément important qui conditionne la gamme de fabrication propre à la phase de mise en forme de la pièce. Les procédés de mise en forme et leurs combinaisons possibles sont particulièrement variés. Ils concernent l'ensemble des classes de matériaux (métallique, céramique, organique, composite). De plus, les procédés confèrent aux matériaux mis en forme des attributs et des propriétés. Le procédé détermine des aspects géométriques tels que la forme et la taille, ainsi que les microstructures et parfois même la composition chimique. À ce titre, les techniques de mise en forme exploitent les propriétés des matériaux en vue de contrôler les futures propriétés d'emploi du matériau constitutif de la pièce. Les aspects typiques du contexte de production sont les cadences de fabrication, la consommation énergétique, le prix de revient de la pièce, le recyclage. Les difficultés éventuelles lors de la mise en uvre du procédé et le contrôle de la stabilité de celui-ci en production (répétabilité) constituent des éléments importants pour le choix d'une association matériau-procédé. Ce choix peut être réalisé parmi l'ensemble des procédés, dont quelques exemples sont présentés dans la liste suivante :

• le moulage par gravité : les métaux sont portés à l'état liquide afin de permettre le remplissage de moules aux géométries complexes. Les dimensions courantes maximum des pièces sont relativement faibles (25 à 500 mm). Le taux de production de ce procédé est compris entre 5 et 50 unités par heure. Les tolérances dimensionnelles sont comprises entre 0.1 et 2 mm. La fraction de matériau utile^1.1 est, quant à elle comprise entre 0.6 et 0.8.
• l'emboutissage : les tôles pré-laminées (éventuellement recuites) sont embouties à froid exploitant ainsi la propriété de grande ductilité de certains alliages métalliques. L'emboutissage permet des taux de production de 30 à 200 pièces à l'heure. Les tolérances sont de 0.1 à 1 mm. Les pièces peuvent atteindre des dimensions relativement importantes (de 50 à 5000 mm). La fraction de matériau utile est dans ce cas comprise entre 0.7 et 0.8.
• l'estampage des composites : les mâts de pré-imprégnés sont comprimés entre deux matrices portées à une température de 250 ^&cir#circ;C environ, conduisant à la réticulation de la résine thermodurcissable. Le taux de production est relativement faible (de 12 à 60 unités par heure), de même que les tolérances dimensionnelles (de 0.12 à 1 mm). Par contre, la gamme de dimensions des pièces est importante (10 à 2000 mm). La fraction de matériau utile est de 0.8 à 0.9.
• l'usinage : la modification de forme s'opère par retrait de matière par utilisation d'outils adaptés à la matière usinée (outils plus durs, plus tenaces que le matériau usiné). Dans le cas particulier de l'usinage automatisé, le taux de production peut aller de 10 à 5000 pièces par heure. Les tolérances sont alors comprises entre 0.005 et 1 mm pour des dimensions caractéristiques comprises entre 10 et 5000 mm. La fraction de matériau utile est comprise entre 0.2 et 0.9.
• la forge : les lopins sont mis en forme à froid ou chauffés à une température de 0.8 $T_F$^1.2. Dans le cas de la forge à froid, le taux de production est de 100 à 500 pièces par heure, alors que pour la forge à chaud, ce taux est de 10 à 300. Outre ces cadences, ce procédé permet d'obtenir des tolérances dimensionnelles de bonne qualité (0.08 à 0.3mm à froid et 0.25 à 2 mm à chaud). Les pièces ainsi mises en forme peuvent être compliquées, mais les dimensions sont limitées (30 à 800 mm à froid et 200 à 800 mm à chaud). A froid, la fraction de matériau utile est entre 0.85 et 0.95. A chaud, cette fraction est de l'ordre de 0.6 à 0.9.
• le moulage par injection : les granulés de polymère sont fondus puis injectés par une vis sans fin dans un moule en coquille. Le taux de production de ce procédé est de 60 à 3000 pièces par heure. Les tolérances qui peuvent être atteintes sont de 0.025 à 1 mm. Les pièces peuvent avoir une gamme de dimensions comprises entre 10 et 2000 mm. La fraction de matériau utile est de 0.6 à 0.9.
• la mise en forme des poudres : le matériau sous forme pulvérulente est mis en forme par l'intermédiaire de sollicitations mécaniques et/ou thermiques. Dans le cas particulier de la compression froid en matrice, les cadences sont de 120 à 2000 pièces par heure. Il est possible d'obtenir des tolérances dimensionnelles de 0.025 à 0.5 mm. Les dimensions courantes pour la compression à froid sont de 10 à 100 mm. La fraction de matériau utile est comprise entre 0.9 et 0.99.

La liste non-exhaustive ci-dessus met l'accent sur les aspects cadences de production et précision dimensionnelle atteignable en cours de mise en forme. Dans ce cadre, le moulage par injection et la compression à froid des poudres sont particulièrement proches. Afin d'opérer une sélection parmi ces deux procédés, d'autres caractéristiques sont à prendre en compte suivant le domaine d'application (durée de vie de l'outillage, prix de l'outillage, rayon du congé de raccordement minimum). Lorsque le choix de la combinaison matériau-procédé se pose de manière précise, de nombreux paramètres sont à prendre en compte :

• le type de produit : "semi-produit" ou pièce finale,
• le type de forme géométrique recherchée (2D, axisymétrique ou tridimensionnelle),
• les dimensions et les rapports entre ces dimensions,
• les tolérances (ou précision) sur certaines cotes fonctionnelles,
• les modes d'assemblage éventuels envisagés,
• les caractéristiques de service escomptées pour la pièce formée,
• la flexibilité de l'outil de production,
• la complexité de la gamme de fabrication,
• le prix de revient par pièce.

Il n'existe pas de mauvaise solution concernant les associations matériaux-procédés, mais de mauvaises applications pour des cas et contextes clairement identifiés. Ainsi, la métallurgie des poudres a trouvé au cours des années de son développement des domaines d'applications privilégiés. Afin d'illustrer ce propos, considérons les exemples suivants. La production d'engrenages peut être, entre autre, réalisée par usinage. Dans ce cas, une portion importante du volume initial de matière première est perdue sous forme de copeaux. Généralement composé de plusieurs phases (ébauche, finition), ce procédé permet d'obtenir de très bonnes précisions dimensionnelles sur la géométrie des dentures. Les engrenages peuvent également être produits par injection d'acier en fusion. Par ce procédé primaire, il est possible d'obtenir des géométries précises, mais les moules d'injection sont chers, et les reprises d'usinage souvent nécessaires (ébavurage, rectification). Une autre technique mise en uvre aujourd'hui dans le secteur automobile est la compression à froid de poudre de fer en matrices, cette opération étant suivie d'une phase de frittage. Ce procédé permet de minimiser les pertes de matière première (de l'ordre de 1%). Les pièces sont comprimées "juste aux cotes" car il n'est pas nécessaire d'ajouter une d'opération secondaire (reprise d'usinage, calandrage) pour obtenir la géométrie requise. Pour ces pièces de formes complexes, les cadences sont élevées (plusieurs centaines de pièces à l'heure). Ce dernier argument est déterminant pour le choix de ce procédé spécifique. La gamme de fabrication composée des opérations de compression à froid et de frittage des poudres de carbure de tungstène (céramiques techniques) permet la réalisation d'outils de coupe beaucoup plus performants que ceux en aciers "rapides". Produites en très grandes séries, les plaquettes d'usinage doivent être obtenues en une seule étape, car les opérations secondaires ne sont pas envisageables pour ce matériau très dur et fragile. Cela implique l'obtention directe de la géométrie du produit fini. Par ailleurs, ce procédé n'est pas concurrencé par les procédés de moulage compte tenu des températures de fusions caractéristiques des céramiques techniques. Certains procédés spécifiques à la métallurgie des poudres, comme la compaction isostatique à chaud (CIC), sont mis en uvre depuis quelques années pour la fabrication de turbines. Plus particulièrement, cette technologie est considérée lorsque les pâles sont comprises entre deux flasques (circulation du fluide dans une forme fermée). De nouvelles géométries peuvent être ainsi envisagées dans la mesure où elles étaient inaccessibles aux procédés d'usinage ou de soudage. Ainsi, le procédé de CIC permet d'obtenir directement une très bonne qualité dimensionnelle sur les pâles. Les mélanges de poudres utilisés, superalliage ou acier inoxydable, permettent d'obtenir des pièces à très hautes caractéristiques mécaniques pour un fonctionnement à température élevée. Les matériaux ainsi obtenus ont des propriétés de service équivalentes que celles issues d'une mise en forme par forgeage à chaud. Pour finir cette liste non exhaustive de domaines d'application, le cas des aimants permanents à forts champs magnétiques illustre encore les gains de performances qui sont conférés au produit par une association matériau-procédé spécifique à la métallurgie des poudres. La matière première est constituée de grains de poudres dont chaque grain a une orientation magnétique. Suite à l'application d'un champ magnétique, une même orientation est obtenue pour l'ensemble des grains. L'application d'une compression mécanique en matrice élastomère (Rubber Isostatic Pressing) permet par agglomération des grains de maintenir l'orientation préférentielle préalablement établie par un champ magnétique extérieur. Les aimants ainsi obtenus produisent des champs magnétiques plus intenses que ce que l'on peut attendre de matériaux massifs aimantés suite à la mise en forme. Ces derniers sont produits par exemple par usinage dans la masse après une première phase faisant intervenir la fonderie.