Les processus de fabrication sont la pierre angulaire de l’industrie moderne et englobent toutes les méthodes de transformation des matières premières en pièces ou structures finies. Des voitures que nous conduisons et des smartphones que nous utilisons aux gratte-ciel dans lesquels nous vivons, tout est rendu possible par diverses technologies de fabrication. Comprendre les principaux types de fabrication nous aide à mieux comprendre un monde défini par l’art de l’ingénierie. Essentiellement, la fabrication peut être divisée dans les catégories principales suivantes.
Fabrication soustractive : l'art de l'artisanat raffiné
La fabrication soustractive est le processus consistant à éliminer systématiquement l'excès de matériau d'un morceau de matériau solide pour créer la géométrie souhaitée. C'est comme si un sculpteur coupait les éléments superflus pour révéler la statue cachée dans le marbre. Les processus d'usinage tels que le tournage, le fraisage, le perçage et le meulage comptent parmi les méthodes de fabrication soustractives les plus populaires.
Ces programmes ont été transformés à l'aide de la technologie de commande numérique par ordinateur (CNC). Les machines CNC utilisent des instructions logicielles préprogrammées-pour déplacer les outils de coupe en trois dimensions avec une précision au micron. Selon les statistiques, l'usinage CNC peut atteindre une tolérance de ±0,005 mm lors de la fabrication de pièces métalliques de haute-précision, soit environ un quart du diamètre d'un cheveu humain. Cette précision exceptionnelle fait de la fabrication soustractive un choix populaire pour les industries qui exigent une grande précision des pièces, comme l'aérospatiale, les dispositifs médicaux et les moteurs automobiles. Par exemple, les cylindres de moteurs automobiles nécessitent des dizaines d'opérations de fraisage et d'alésage de précision pour garantir un ajustement parfait entre le piston et la paroi du cylindre, ce qui se traduit par une étanchéité efficace et un fonctionnement à faible-friction. L’avantage de la fabrication soustractive est qu’elle peut produire des pièces avec une excellente qualité de surface et une excellente précision dimensionnelle, mais l’inconvénient est qu’elle produit beaucoup de matière.
Former : le pouvoir de remodeler
Contrairement à la fabrication soustractive, le formage maintient la masse ou le volume d'une tôle relativement constant tout en modifiant sa forme en appliquant des forces externes plutôt qu'en enlevant de la matière. Ce procédé tire parti des propriétés de déformation plastique du matériau. Le forgeage, l'extrusion, l'emboutissage et le pliage sont des méthodes de formage courantes.
Pour former un V, un U ou d'autres contours complexes, le pliage consiste à appliquer une pression sur la tôle pour la déformer de manière permanente selon un angle spécifique. En revanche, l’emboutissage utilise des matrices et une haute pression pour donner rapidement à la tôle la forme souhaitée. Les portes automobiles et les coques de châssis sont des exemples courants de pièces estampées. Grâce à des lignes de presse modernes et hautes-performances, des temps de cycle supérieurs à 15 fois par minute permettent une production efficace à grande échelle-. Le forgeage est une méthode de formage plus ancienne qui utilise un marteau ou une presse pour déformer plastiquement une ébauche de métal chauffée dans une matrice. Le processus de forgeage décompose la structure interne moulée du métal, affine la taille des grains et crée des lignes d'écoulement continu des fibres, améliorant considérablement la résistance, la ténacité et la durée de vie de la pièce. Les données montrent que les pièces forgées ont une capacité portante moyenne-de 20 à 30 % supérieure à celle des pièces moulées. Cela rend le forgeage indispensable à la fabrication de composants porteurs critiques, tels que les trains d'atterrissage des avions, les arbres de transmission des camions et les engrenages des machines lourdes.
Rejoindre la fabrication : l'art de construire un tout à partir de pièces
De nombreux produits sont complexes et ne peuvent être construits à partir de pièces individuelles. L'assemblage de processus de fabrication est nécessaire pour assembler plusieurs pièces indépendantes en une unité complète et fonctionnelle. Rejoindre la fabrication est une étape critique dans la construction de grandes structures et d’équipements complexes. Les méthodes d'assemblage les plus courantes comprennent le soudage, le rivetage et le boulonnage.
Afin de créer une connexion permanente entre deux pièces métalliques différentes, le soudage nécessite l’utilisation de chaleur, de pression ou les deux. Le soudage à l'arc, le soudage au laser et le soudage par résistance sont trois types de soudage qui dépendent de la source de chaleur et du processus. Non seulement les postes de soudage robotisés modernes peuvent souder plus de trois fois plus rapidement que les travailleurs qualifiés, mais ils peuvent également travailler 24 heures sur 24 et maintenir une répétabilité et une cohérence extrêmement élevées. Les soudures dans l’industrie de la construction navale peuvent mesurer des centaines de kilomètres de long et la sécurité structurelle globale du navire est directement liée à la qualité des soudures. Les connexions mécaniques appelées rivets sont formées en enfonçant le rivet à travers un trou pré-percé dans la pièce et en déformant l'extrémité du rivet pour le maintenir en place. Bien que le soudage ait remplacé le rivetage dans certaines applications en raison de sa résistance supérieure aux chocs et aux vibrations, le rivetage est encore fréquemment utilisé dans les fuselages d’avions et les ponts ferroviaires en aluminium. Les connexions boulonnées sont détachables, ce qui facilite l'assemblage et la maintenance, et sont couramment utilisées dans les structures en acier et les cadres d'équipements mécaniques.
Fabrication additive : la révolution-par-couche
L’une des innovations manufacturières les plus révolutionnaires des dernières décennies est la fabrication additive (ou impression 3D). Il adopte une approche très différente de la fabrication soustractive, en construisant des objets tridimensionnels- directement par superposition de matériaux. Tout d’abord, créez un modèle 3D sur votre ordinateur. Le logiciel « découpe » ensuite le modèle en d'innombrables couches minces. L'équipement de fabrication applique ensuite le matériau couche par couche, solidifiant ou fusionnant chaque couche pour finalement « imprimer » l'objet entier de bas en haut.
Les technologies d'impression 3D métallique, telles que la fusion laser sélective, utilisent un faisceau laser à haute-énergie pour fondre et solidifier complètement une poudre métallique de taille micrométrique-. Cette technologie dépasse fondamentalement les limites de la complexité géométrique de l'usinage traditionnel, permettant de fabriquer des pièces avec des canaux de refroidissement complexes, des structures légères similaires aux nids d'abeilles et des composants intégrés qui ne peuvent pas être fabriqués avec les technologies traditionnelles ou nécessitent l'assemblage d'un grand nombre de pièces. La recherche montre qu'un injecteur de carburant de moteur d'avion optimisé et imprimé en 3D peut intégrer 20 pièces différentes en une seule, réduisant ainsi le poids de 25 % et améliorant considérablement le rendement énergétique. Bien que l’impression 3D métal manque actuellement d’avantages en termes de vitesse et de coût de production de masse, elle joue un rôle irremplaçable dans le prototypage rapide, les implants médicaux personnalisés et la fabrication de composants aérospatiaux complexes.
Modification des propriétés des matériaux et finition : la garantie ultime de qualité
Le processus de fabrication ne se limite pas à modifier la forme ou à assembler des composants. Pour garantir un fonctionnement fiable à long-terme dans des conditions spécifiques, une série de processus sont nécessaires pour modifier les propriétés des matériaux ou l'état de surface. Ceux-ci incluent le traitement thermique et le traitement de surface.
Afin de modifier la microstructure interne d'un métal ou d'un alliage solide et lui permettre d'obtenir les propriétés souhaitées, le traitement thermique nécessite de le chauffer à une température prédéterminée, de le maintenir pendant une durée prédéterminée, puis de le refroidir à une vitesse appropriée. Par exemple, la trempe peut augmenter considérablement la résistance et la dureté de l'acier tout en conservant son tranchant ou en créant une surface-résistante à l'usure. Le revenu est effectué immédiatement après la trempe pour augmenter la ténacité du matériau et réduire sa fragilité. Une procédure de traitement thermique approfondie peut prolonger plusieurs fois la durée de vie de vos engrenages. L'objectif du traitement de surface est d'améliorer les propriétés de surface de la pièce. Par exemple, les revêtements peuvent améliorer la protection et l’esthétique, le sablage peut nettoyer les surfaces et la galvanoplastie peut améliorer la résistance à la corrosion.
Conclusion
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