Sous pression : comment sont fabriquées les extrusions d'aluminium

À tout moment, je suis susceptible d'avoir plusieurs projets en cours, ce par quoi j'entends bien sûr à divers stades de négligence. Mon grand projet actuel est celui où j'ai enfin l'impression d'avoir la chance d'utiliser certains matériaux avec une vraie crédibilité de hacker street, comme les profilés en aluminium extrudé à rainure en T. Nous avons tous vu le truc, le "Set de montage industriel" comme 80/20 aime en appeler leur version. Et nous avons tous vu les projets sympas réalisés avec, des machines CNC aux présentoirs de salons professionnels, et en ces temps de pandémie, même occasionnellement en tant que pare-éternuements dans les magasins de détail.

Les profilés à rainures en T en aluminium sont agréables à travailler - solides, légers, faciles à connecter avec une large gamme de fixations, et configurables et reconfigurables à l'infini en fonction de l'évolution des besoins. Ce n'est en aucun cas bon marché, mais lorsque vous tenez compte du temps de fabrication économisé, cela peut être un avantage net de spécifier les éléments pour un projet. Pourtant, avec le coup projeté sur mon portefeuille, je cherchais des alternatives plus abordables.

Mon exploration m'a mené dans le monde incroyablement riche des extrusions d'aluminium. Même en excluant les articles banals comme la bière et les canettes de soda, vous êtes probablement entouré de produits en aluminium extrudé en ce moment. Tout, des dissipateurs thermiques d'ordinateur aux cadres de fenêtre en passant par les pièces qui composent les portes moustiquaires, est fabriqué en aluminium extrudé. Alors, comment est fabriqué exactement ce truc omniprésent?

Le processus de base pour extruder l'aluminium est, extérieurement, aussi simple à comprendre que le processus d'extrusion utilisé par une imprimante 3D : chauffer le matériau et le forcer à travers une filière avec la forme et la taille souhaitées. Mais lorsque le PLA est remplacé par une bûche géante en aluminium, et un câble Bowden et un moteur pas à pas par un énorme vérin hydraulique, les détails obscurcissent rapidement la simplicité du concept sous-jacent.

La conception de la filière est peut-être la partie la plus critique du processus d'extrusion. Les matrices doivent résister à des forces énormes à des températures élevées et doivent maintenir leur stabilité dimensionnelle tout en le faisant. Les matrices d'extrusion commencent leur vie sous forme de barres rondes d'acier à outils jusqu'à un mètre ou plus de diamètre, mais généralement d'environ 30 cm. Les matrices ont généralement un profil assez mince par rapport à leur diamètre, car plus le chemin parcouru par l'aluminium est long lorsqu'il traverse la matrice, plus le frottement qu'il subit est important. Plus de friction signifie plus de force, ce qui signifie des presses plus grandes, plus d'usure sur les matrices et des coûts généralement plus élevés.

Les matrices sont généralement créées par des fabricants spécialisés qui emploient des ingénieurs et des machinistes qualifiés en conception de matrices. Le processus de transformation d'une conception en matrice commence généralement par l'ébauche de l'ébauche sur un tour CNC, puis se poursuit par une séquence d'opérations de fraisage CNC. L'usinage par décharge électrique (EDM) est largement utilisé pour obtenir les détails fins nécessaires pour fournir une finition lisse et pour obtenir la géométrie précise nécessaire pour contrôler le flux de l'aluminium à travers la matrice.

La plupart des extrusions auront une ou plusieurs chambres creuses, comme la lumière d'un tuyau ou, dans le cas de nos profils 80/20, l'espace négatif des rainures en T et l'alésage central. La matrice doit créer ces caractéristiques, qui nécessitent que des parties de la matrice «flottent» dans le flux entrant de métal ramolli. Les fabricants de matrices y parviennent en suspendant ces éléments sur des bras qui comblent l'espace dans la partie amont de la matrice. La forme et la finition de surface de ces bras doivent être soigneusement conçues pour que le métal s'écoule autour d'eux et se rejoigne pour créer un flux de matériau lisse et continu sans vides, ce qui pourrait entraîner une faiblesse du produit fini.

Une considération attentive des forces hydrodynamiques exercées par et sur le métal qui coule est également importante pour la conception de la filière. Alors que le côté sortie de la matrice a à peu près exactement la taille et la forme de l'extrusion finie, le côté entrée est tout sauf cela. Selon certaines estimations, la moitié de l'énergie utilisée lors de l'extrusion de l'aluminium sert à surmonter la friction entre le métal et la matrice, donc tout ce qui peut être fait pour réduire ces forces est comme de l'argent en banque. L'entrée de la matrice doit être conçue pour diriger le métal entrant aussi facilement et facilement que possible dans la forme finale, ce qui explique en partie pourquoi les concepteurs de matrices incluent des angles de dépouille très généreux sur la largeur de la matrice.

Il existe plusieurs façons d'aborder le processus d'extrusion, chacune avec ses avantages et ses inconvénients. L'extrusion directe est essentiellement ce que vous connaissez bien dans l'impression 3D, ou si vous avez déjà utilisé l'une de ces choses compressibles dans un ensemble Play-Doh : un morceau de matériau ramolli est pressé contre une matrice, qui s'écoule ensuite à travers la matrice pour prendre sa forme finale. L'extrusion indirecte inverse cela, forçant la matrice à se déplacer par rapport au matériau. Les deux approches ont leurs avantages et leurs inconvénients, et les deux aboutissent à des extrusions avec des propriétés métallurgiques différentes.

Dans les deux cas, une grande bûche d'aluminium, appelée billette, est chauffée dans un four à gaz ou par induction. La température varie en fonction de l'alliage spécifique et de la complexité de la matrice, mais il est important de noter que la billette n'est pas fondue, juste ramollie. La matrice et une grande partie de la presse hydraulique sont également chauffées, pour éviter que les contraintes thermiques ne cassent quoi que ce soit dans la machinerie et pour empêcher l'aluminium de refroidir trop tôt et de coller à la matrice.

Les presses d'extrusion d'aluminium ont généralement une orientation horizontale, avec un vérin hydraulique massif faisant face à la filière à travers un espace étroit. La billette préchauffée est placée dans l'espace et le vérin hydraulique commence à la presser dans la matrice (ou, en extrusion indirecte, déplace la matrice sur le matériau). Le métal ramolli commence à couler dans les espaces de la matrice, autour des bras, et se rétrécit dans la forme finale à sa sortie de la matrice.

L'extrusion en croissance sort de la presse et est presque immédiatement trempée avec de l'air ou, plus communément, un bain d'eau. Le processus de trempe est important, car lorsque l'extrusion sort de la filière, elle est encore molle et susceptible de se déformer. La trempe fixe également la structure cristalline des métaux dans l'alliage, donnant à l'extrusion finie ses propriétés métallurgiques souhaitées.

Mais même avec la trempe, les extrusions qui sortent de la filière sur les longues tables de sortie sont loin d'être terminées. Les forces énormes exercées lors de l'extrusion couplées aux contraintes thermiques de la trempe déforment et tordent inévitablement les profilés. Ceci est corrigé par une opération d'étirement, où les extrusions sont littéralement ramassées et étirées sur le long chemin avec des outils hydrauliques. Cela restaure le profil à sa forme prévue; le changement de quelques pour cent de la longueur du profil modifie nécessairement légèrement les dimensions du profil, un fait qui doit être pris en compte par les concepteurs de matrices.

Curieusement, les extrusions fraîches doivent être quelque peu vieillies à des températures élevées avant d'atteindre leur résistance finale spécifiée. Ceci est accompli dans de grandes tours de vieillissement sur une période de quelques heures à quelques jours, selon l'alliage. Les extrusions vieillies sont ensuite coupées à longueur, avec éventuellement une finition appliquée - les finitions anodisées claires ou teintes sont très populaires pour les extrusions 80/20 car elles protègent l'aluminium de l'oxydation - et emballées pour l'expédition.

Compte tenu de la quantité de matériau qui entre dans une extrusion d'aluminium et de l'investissement nécessaire pour faire fonctionner les énormes machines qui font le travail, il est facile de comprendre pourquoi les profilés 80/20 coûtent ce qu'ils font. Alors maintenant, je vais peut-être mordre la balle et commander ce dont j'ai besoin.

Images présentées : F&L Industrial Solutions, Inc.