Explorer le processus de fabrication des métaux : Un guide complet

Introduction

La fabrication de métaux, en particulier la fabrication industrielle de métaux, est l'un des processus de fabrication les plus importants qui englobe plusieurs processus essentiels à la création de pièces, d'assemblages et de structures métalliques fonctionnels. Du micro-niveau des gadgets électroniques au macro-niveau de l'industrie de la construction, les produits métalliques sont utilisés dans presque tous les domaines de la société et de l'économie. L'industrie de la fabrication métallique est très vaste et ne cesse de se développer et d'évoluer.

L'objectif de ce document est de décrire les différentes étapes du processus de fabrication des métaux, depuis l'élaboration du projet jusqu'à son achèvement et sa livraison. Dans ce document, nous décrirons les méthodes de base, les types de métaux utilisés et d'autres facteurs qui peuvent influencer la réussite de la mise en œuvre du projet afin que les lecteurs aient un aperçu de cette industrie importante.

Qu'est-ce que la fabrication métallique ?

La fabrication métallique, dans son essence, est le processus de construction de machines et de structures à partir de matériaux bruts et de pièces brutes de matériaux métalliques. Il s'agit en fait d'un processus d'enlèvement de matière, de pliage et d'assemblage de pièces métalliques pour obtenir une forme particulière. Contrairement aux processus de formation tels que l'usinage, le moulage ou le forgeage, le processus de fabrication commence généralement par les produits métalliques de base tels que les tôles, les plaques, les tuyaux ou les éléments de structure. Ces matériaux sont ensuite façonnés par divers procédés tels que le découpage, le pliage ou le formage des matériaux dans les géométries souhaitées et leur assemblage pour former la pièce ou la structure finale. La fabrication métallique est un vaste domaine qui couvre tout, depuis les boîtiers en tôle minces et complexes jusqu'aux grandes structures en acier soudées complexes, ce qui nécessite une variété de compétences, d'outils et de procédures d'assurance qualité.

Conception et planification : Les fondements

Chaque projet de fabrication métallique commence bien avant la découpe et la mise en forme du matériau. Un projet réussi nécessite un travail de base solide qui consiste à transformer une idée en un plan de production pratique.

Dans les processus de fabrication contemporains, la conception assistée par ordinateur (CAO) joue un rôle essentiel dans la création de modèles complexes. Les concepteurs et les ingénieurs produisent des dessins en 2D et des modèles en 3D qui peuvent être physiquement ajustés grâce à une représentation précise au début du travail, ce qui permet d'apporter des modifications à l'avance. Ce plan numérique facilite l'examen approfondi, réduisant ainsi la probabilité d'erreurs coûteuses et le gaspillage important de matériaux excédentaires.

Vient ensuite la phase de planification, qui succède directement à la phase de conception. Le choix du matériau dépend de sa résistance, de son poids, de sa capacité à résister à la corrosion et de son coût. Il faut également décider des méthodes de fabrication les plus appropriées en fonction du volume de production, des tolérances et de l'équipement. Cette étape consiste à définir l'ordre des activités, les ressources à utiliser et le temps nécessaire au bon déroulement du projet.

La conception pour la fabrication (DFM) est un autre facteur important à prendre en considération. La DFM vise à réduire la complexité du processus de fabrication en normalisant la taille des trous, en définissant les rayons de courbure réalisables, en réduisant le nombre de joints à souder et en fixant des tolérances adaptées aux processus et à l'application de la fabrication. Ces stratégies permettent de réduire les coûts sans affecter la qualité des services.

Lorsqu'elle est bien menée, cette étape permet de réduire les erreurs, les rebuts et les reprises, de raccourcir la durée du cycle et de garantir que le produit final est bon du premier coup et à chaque fois, au coût le plus bas possible.

Techniques de coupe des métaux : Façonnage de précision

Une fois la conception achevée et le matériau choisi, la première étape de la fabrication consiste à découper le matériau dans la taille et la forme souhaitées. Le type de méthode de découpe à utiliser dépend du type de matériau à découper, de l'épaisseur du matériau, du niveau de précision requis et du facteur coût.

Cisaillement : est une méthode rapide et efficace utilisée pour couper les matériaux non désirés et les lignes droites sur les tôles ou les plaques de métal. Elle utilise deux lames, l'une étant fixe tandis que l'autre se déplace dans un mouvement de ciseaux. Ce procédé convient mieux aux coupes droites simples qu'aux formes complexes.

Sciage : Les scies à ruban ou les scies circulaires sont utilisées pour couper des barres, des tuyaux et des formes structurelles. Bien qu'il s'agisse d'un procédé polyvalent, le sciage est relativement plus lent et peut donner lieu à un fini de surface qui peut nécessiter une finition supplémentaire.

Découpe au laser: est un processus qui utilise un faisceau laser puissant pour faire fondre ou vaporiser le matériau afin d'obtenir des bords nets. Parmi les types les plus courants, citons les lasers CO2, qui conviennent à la plupart des matériaux, et les lasers à fibre, idéaux pour les métaux fins tels que l'aluminium et le cuivre. La découpe au laser est rapide et précise, surtout lorsqu'il s'agit de matériaux fins, et peut découper des formes complexes.

Découpage au plasma : implique l'utilisation d'un flux de gaz ionisé à grande vitesse pour découper les métaux conducteurs d'électricité. Cette méthode convient mieux à la découpe de matériaux épais d'au moins un pouce d'épaisseur et est idéale pour la découpe de l'acier, de l'acier inoxydable et de l'aluminium. La qualité des arêtes est bonne, mais pas aussi fine que la découpe au laser ou au jet d'eau, et elle produit une zone affectée thermiquement (ZAT).

Découpe au jet d'eau : est une technique de découpe qui utilise un jet d'eau à haute pression mélangé à des granulés abrasifs pour découper le métal. Il s'agit d'un procédé de découpe à froid qui ne produit pas de zone affectée par la chaleur ni de déformation du matériau. La découpe au jet d'eau est capable de découper n'importe quel matériau avec une grande précision et une bonne finition des bords, mais elle est relativement plus lente et coûteuse que la découpe au laser ou au plasma.

Le choix de la bonne méthode de coupe est très important pour obtenir la géométrie, la finition des arêtes et la productivité souhaitées.

Formage et cintrage : Obtenir les formes souhaitées

Une fois les pièces métalliques découpées, l'étape suivante consiste souvent à les façonner et à les plier pour leur donner la forme tridimensionnelle souhaitée. Les méthodes suivantes peuvent être utilisées à ce stade :

Cintrage : Des machines spécialisées, telles que les presses plieuses, permettent de plier les tôles et les plaques à des angles précis. Différents types de matrices et d'outils sont utilisés pour obtenir des formes et des rayons de courbure variés.

Estampage : Il s'agit d'un processus au cours duquel une feuille de métal plat est introduite dans une presse d'emboutissage où une matrice est utilisée pour façonner le métal. L'emboutissage est très efficace pour la production d'une large gamme de produits et de nombreuses pièces similaires en grandes quantités.

Dessin : Dans l'emboutissage, un poinçon est appliqué pour forcer une feuille de métal dans une cavité de matrice afin de lui donner une forme de coupe ou une autre forme plus complexe. L'emboutissage profond est utilisé pour fabriquer des pièces d'une épaisseur ou d'une profondeur importante par rapport à leur largeur.

Forgeage : Il s'agit d'un processus qui implique l'utilisation de la force pour façonner le métal de manière compressive, afin d'obtenir la forme souhaitée. Il peut être réalisé à chaud ou à froid et les pièces produites ont une résistance et une durabilité accrues.

Extrusion : Le métal est contraint de passer à travers une matrice d'une forme transversale particulière, ce qui permet d'obtenir de longues barres aux dimensions transversales uniformes. Ce procédé est largement utilisé dans la fabrication de profilés en aluminium et autres métaux non ferreux.

Roulant : Le laminage du métal implique l'utilisation de deux rouleaux pour amincir les feuilles, plaques ou barres de métal ou pour leur donner une certaine forme transversale. Il peut également être utilisé pour produire des formes cylindriques ou coniques à partir d'un matériau plat (laminage de plaques ou de profilés).

Poinçonnage : Cette opération est similaire à l'estampage, mais elle est principalement utilisée pour réaliser des trous ou d'autres formes sur la tôle à l'aide d'un poinçon et d'une matrice. Les poinçonneuses à tourelle CNC sont des outils polyvalents qui peuvent accueillir plusieurs outils et réaliser rapidement des modèles complexes de trous et de caractéristiques.

Le choix de la technique de formage et de cintrage dépend de la complexité de la forme requise, des propriétés du matériau et du nombre de pièces à produire.

Procédés d'usinage : Détails de l'affinage

Dans la plupart des projets de construction impliquant des métaux, il y a toujours des dimensions spécifiques, de la douceur et d'autres caractéristiques qui ne peuvent pas être atteintes par la coupe et le formage seuls, et c'est là que l'usinage s'avère utile. Les procédés d'usinage les plus courants sont les suivants :

Forage : Il s'agit de faire des trous ronds à l'aide de mèches. Il est essentiel pour faire des trous pour les boulons ou les écrous ou pour préparer un trou à être fileté à l'intérieur.

Fraisage : Il s'agit d'un processus qui utilise une fraise rotative dotée de plusieurs arêtes de coupe pour découper le matériau d'une pièce. Les fraiseuses CNC peuvent créer diverses formes, des fentes, des poches, des surfaces planes ou des contours, avec une grande précision.

Tournant : Il s'agit d'un processus généralement réalisé sur un tour où la pièce à usiner tourne tandis que l'outil de coupe reste stationnaire. Il est utilisé pour le tournage de pièces cylindriques, l'effilage, le rainurage, le filetage extérieur et intérieur.

Broyage : Il utilise des meules abrasives pour raser de petites couches de matériau afin de produire des surfaces et des dimensions très lisses et précises. Il s'agit généralement de l'opération finale après d'autres procédures d'usinage ou de traitement thermique.

L'usinage est généralement réalisé comme un processus supplémentaire aux processus primaires de coupe et de formage afin de produire des caractéristiques ou de respecter certaines tolérances.

Assemblage et montage : Création du produit final

Très peu de composants manufacturés sont fabriqués à partir d'une seule pièce de métal. Par conséquent, toutes les méthodes d'assemblage de pièces, comme la connexion de pièces individuelles en un produit complet, y compris les techniques de fabrication automobile, nécessitent des processus d'assemblage.

Soudage : Il s'agit de la méthode la plus répandue pour relier des pièces métalliques de manière permanente. Il s'agit de faire fondre des métaux de base (souvent en combinaison avec un métal d'apport) et de les refroidir pour solidifier la liaison. Les principaux procédés de soudage sont les suivants

• MIG (soudage à l'arc sous gaz métallique - GMAW) : Il utilise des fils électrodes alimentés en continu et des gaz de protection. Il est polyvalent, rapide et relativement facile à apprendre. Il est considéré comme le meilleur et s'applique à de nombreux métaux et épaisseurs.
• TIG (soudage à l'arc au tungstène - GTAW) : Utilise des électrodes en tungstène non consommables et un gaz de protection. Il est connu pour sa grande précision et son contrôle, ce qui permet d'obtenir des soudures très résistantes. Meilleur pour les matériaux plus fins et les alliages comme l'aluminium et l'acier inoxydable, mais plus lent que le MIG.
• Le soudage à l'arc avec électrode enrobée (Shielded Metal Arc Welding - SMAW) : Utilise des électrodes recouvertes de flux qui sont consommables dans le processus. Le revêtement émet un gaz sûr pour le bain de soudure. Excellent pour les travaux simples en extérieur ainsi que pour les matériaux peu propres ou peu familiers où la portabilité est nécessaire, mais nécessite plus de compétences pour des soudures propres et nettes.
• Soudage par points (soudage par résistance par points - RSW) : Forme de soudage qui permet de fondre et d'assembler simultanément des feuilles de métal qui se chevauchent en faisant passer un courant électrique puissant à l'aide d'électrodes qui serrent et compriment les feuilles ensemble. Très populaire dans l'industrie automobile.

Brasage et la soudure : Deux méthodes d'assemblage de métaux utilisant un produit de remplissage qui fond à une température inférieure à celle des métaux de base. Les métaux de base sont préchauffés et le produit d'apport est aspiré dans le joint par capillarité. Le soudage est réalisé à des températures plus basses que le brasage, ce qui permet d'obtenir des joints plus solides.

Un sujet captivant : Assemblage de pièces au moyen de goupilles métalliques (rivets) qui sont passées à travers des trous dans les pièces et déformées (le plus souvent martelées ou pressées) pour produire un joint à tête. Courant dans les applications aérospatiales et structurelles.

Attache Assemblage : L'utilisation de vis, de boulons, d'écrous et d'autres dispositifs mécaniques pour assembler des composants. Le démontage est autorisé si nécessaire et ne nécessite pas d'exposition à la chaleur, contrairement au soudage.

La méthode d'assemblage sera choisie en fonction de la résistance, du coût, de la déformation, de l'aspect du joint, de la compatibilité des matériaux et de la technique d'assemblage.

Finition des surfaces : améliorer l'esthétique et la protection

Après la fabrication et l'assemblage, divers procédés de finition de surface sont utilisés pour améliorer l'aspect du produit, le protéger de la corrosion ou améliorer ses performances. Les techniques courantes de finition de surface sont les suivantes

Peinture : L'utilisation de peinture liquide ou en poudre donne de la couleur et une couche de protection. Le revêtement en poudre est un procédé qui consiste à appliquer une peinture en poudre sèche par voie électrostatique, puis à utiliser la chaleur pour cuire la peinture afin de former une couche dure et résistante qui est encore plus résistante à l'écaillage que la peinture liquide.

Placage : Revêtement de la surface par une couche d'un autre métal tel que le zinc, le nickel, le chrome ou l'étain par galvanoplastie ou toute autre technique. Cela permet d'améliorer la protection contre la corrosion, la protection contre l'usure, la conductivité électrique ou l'esthétique. Le zingage ou la galvanisation sont largement utilisés pour protéger l'acier de la rouille.

Anodisation: Processus électrochimique qui s'applique principalement à l'aluminium. Il forme une couche d'oxyde solide, résistante à l'usure et anticorrosive à la surface du matériau. Cette couche peut également être teintée en différentes couleurs.

Polissage et lustrage : Procédés mécaniques impliquant l'utilisation d'abrasifs pour lisser la surface et lui donner un aspect brillant et réfléchissant, principalement utilisé à des fins décoratives sur des matériaux tels que l'acier inoxydable ou l'aluminium.

Le sablage (abrasif) : Le processus de projection d'un matériau abrasif contre la surface à nettoyer ou pour enlever la calamine ou un vieux revêtement ou pour obtenir une finition de surface particulière (finition mate) avant de peindre ou de revêtir.

La finition de surface est le dernier processus de fabrication d'un produit qui garantit non seulement que le produit remplit la fonction prévue, mais aussi qu'il a l'aspect et la durabilité souhaités.

Contrôle et inspection de la qualité : Garantir les normes

Les étapes de l'assurance et du contrôle de la qualité sont des composantes essentielles du processus de fabrication métallique. L'assurance qualité permet de s'assurer que le produit final répond aux exigences et aux normes de qualité. L'inspection commence par l'évaluation des matériaux de base et se poursuit jusqu'à l'évaluation du produit final. Voici quelques-unes des méthodes utilisées pour l'inspection

Inspection visuelle : Il s'agit de vérifier que l'article ne présente pas de dommages clairs et visibles, tels que des rayures, des fissures ou des mesures erronées.

Inspection dimensionnelle : Ces processus de vérification impliquent l'utilisation d'outils de mesure tels que les pieds à coulisse, les jauges et les micromètres. Ils vérifient si les dimensions des pièces fabriquées correspondent aux spécifications de la conception.

Essais non destructifs (NDT): Des techniques telles que le contrôle par ultrasons, le contrôle par magnétoscopie et le contrôle radiographique sont utilisées pour détecter les défauts internes du métal. Le plus intéressant, c'est que cela n'endommage pas le produit déjà fabriqué.

Inspection des soudures : Les soudures sont considérées comme solides et de qualité requise si elles passent l'inspection visuelle et le contrôle non destructif.

L'assurance et l'inspection de la qualité sont essentielles pour garantir que les produits métalliques fabriqués sont sûrs, durables et exempts de défauts.

Principaux matériaux utilisés dans la fabrication

La fabrication métallique implique l'utilisation d'un certain nombre de produits fabriqués à partir de matériaux métalliques, chacun d'entre eux ayant ses propres caractéristiques et utilisations. Parmi les matériaux courants, on peut citer

Note : Les propriétés sont basées sur des valeurs standard ou moyennes et peuvent varier en fonction de la composition du matériau et des méthodes de traitement.

Applications de la fabrication métallique dans diverses industries

Les procédés de fabrication des métaux sont utilisés dans de nombreuses industries et pour de nombreux produits essentiels au monde moderne. L'adaptabilité et l'évolutivité de ces techniques permettent des applications qui vont des petites pièces aux grandes constructions :

Automobile : Pièces de moteur, châssis, panneaux de carrosserie, systèmes d'échappement, supports.

Aérospatiale : Réservoirs de carburant, trains d'atterrissage, composants de satellites, cellules et composants de moteurs.

Construction : Toitures et bardages métalliques, ponts, canalisations, poutres et colonnes en acier de construction, mains courantes, escaliers.

Électronique : Boîtiers d'ordinateurs et de serveurs, dissipateurs de chaleur, châssis pour l'électronique grand public, supports de montage. (Nécessite souvent la fabrication de tôles de précision)

Machines industrielles : Enceintes de machines, protections, châssis, bras robotisés, convoyeurs et équipements de traitement.

L'énergie : Composants et tours pour éoliennes, pipelines, structures de plates-formes pétrolières, composants de centrales électriques et cadres pour panneaux solaires.

Médical : Implants et instruments chirurgicaux, cadres et boîtiers d'équipements médicaux

Biens de consommation : Articles de cuisine, outils, équipements de loisirs, appareils électroménagers (machines à laver, réfrigérateurs) et cadres de meubles.

Construction navale : Structures internes, coques, ponts et superstructures.

Cette liste n'est pas exhaustive, mais elle démontre l'importance cruciale et généralisée de la fabrication métallique pour l'économie mondiale.

Choisir le bon procédé de fabrication

Le choix du ou des procédés de fabrication appropriés est très important pour atteindre l'objectif de la manière souhaitée. Les facteurs suivants doivent être pris en compte :

Type de matériau et épaisseur : Certains procédés sont plus adaptés à certains types de matériaux ou d'épaisseurs, par exemple le découpage au plasma pour les plaques épaisses, et au laser pour les feuilles minces.

Tolérances et précision : La haute précision peut nécessiter une découpe au laser, une découpe au jet d'eau ou un usinage CNC, qui sont coûteux. Il est possible que des tolérances plus faibles permettent d'utiliser des techniques plus rapides et moins coûteuses telles que le cisaillage ou la découpe au plasma.

Complexité partielle et géométrie : Les formes complexes peuvent nécessiter une découpe au laser ou au jet d'eau, un usinage CNC à plusieurs axes ou un formage complexe. Certaines des formes les plus simples peuvent être obtenues par cisaillement ou par pliage à la presse plieuse.

Volume de production : La production en grande quantité peut être réalisée par emboutissage ou soudage robotisé, ce qui implique un coût initial élevé de l'outillage. Les lots de petite taille ou de première production sont généralement produits à l'aide de méthodes telles que la découpe au laser, le freinage à la presse et le soudage manuel, car elles sont moins coûteuses à mettre en place.

Contraintes budgétaires : Certains procédés ont des coûts d'exploitation différents en termes de main-d'œuvre, de consommables et d'énergie, ainsi que des coûts de biens d'équipement. Il est essentiel de trouver un équilibre entre la qualité et la performance, d'une part, et le montant disponible, d'autre part.

Qualité et finition souhaitées des bords : La découpe au jet d'eau et au laser est moins susceptible de nécessiter une finition secondaire que la découpe au plasma ou le sciage. Les exigences en matière de finition de surface détermineront si le meulage, le polissage, la peinture ou le placage sont nécessaires.

Délai d'exécution : Par rapport aux autres procédés, le cisaillage, le poinçonnage et certaines méthodes de soudage automatisées sont plus rapides, ce qui les rend préférables en cas de délais serrés. Elles doivent cependant répondre à d'autres exigences.

De plus en plus, plus d'un processus est nécessaire pour produire un produit final. Une analyse détaillée de ces facteurs, de préférence au début de la phase de conception, permet d'optimiser la sélection des procédés en termes de qualité, de coût et de livraison.

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Conclusion

La fabrication métallique est un domaine complexe qui englobe un grand nombre de procédures, y compris les différents types de fabrication métallique et les facteurs qui doivent être pris en compte. Depuis la phase de conception et de planification jusqu'à la phase de contrôle de la qualité et d'inspection, chaque phase est importante pour la fabrication de produits métalliques fonctionnels et durables. Il est essentiel pour toute personne impliquée dans la fabrication ou l'ingénierie de comprendre les processus de base, les matériaux utilisés dans les processus et les facteurs qui déterminent le choix du processus. Avec les progrès de la technologie, l'industrie de la fabrication métallique se développera également et fournira des moyens meilleurs et plus efficaces de créer des structures dans la société.

FAQS

Q : Comment le coût de la fabrication métallique est-il déterminé ?

A : Le coût de fabrication des métaux comprend le coût des matériaux utilisés, le coût de la main-d'œuvre, le coût de l'équipement utilisé et le temps nécessaire pour traiter les matériaux. Tous ces facteurs jouent un rôle dans la détermination du coût de fabrication d'une pièce métallique.

Q : Quelles sont les mesures prises pour maintenir la précision dans la fabrication des métaux ?

A : Pour obtenir une grande précision, il est nécessaire de choisir le bon processus de fabrication, d'utiliser des machines et des équipements précis, de définir des paramètres technologiques rationnels, de contrôler le processus et d'apporter des corrections si nécessaire. En outre, l'utilisation d'instruments de mesure de haute précision, comme les machines à mesurer tridimensionnelles, pour les contrôles périodiques, garantit que le produit final a atteint la précision requise.

Q : Quelles sont les mesures prises pour garantir la cohérence de la production par lots ?

A : Les mesures suivantes peuvent être prises pour maintenir la cohérence de la production par lots : L'équipement et les outils utilisés dans le processus de production doivent être de haute qualité, le processus de production doit être bien défini, les employés doivent être bien formés et le processus doit être strictement respecté. Deux types de systèmes peuvent être mis en œuvre pendant la production pour garantir que les produits répondent à la qualité requise : les systèmes de contrôle automatisés et les systèmes d'acquisition de données.