PNNL et Magna démontrent la faisabilité de l'utilisation de ShAPE avec de l'aluminium secondaire pour les composants automobiles

Le laboratoire national du nord-ouest du Pacifique du ministère de l'Énergie développe depuis plusieurs années le processus de traitement et d'extrusion assistés par cisaillement (ShAPE) pour permettre une production plus économique et plus économe en énergie de structures à haute résistance à partir de métaux et d'alliages métalliques, avec une application à une gamme de métaux différents.

Maintenant, en collaboration avec Magna, PNNL a démontré la faisabilité d'utiliser ShAPE pour fabriquer des extrusions multicellulaires à partir d'aluminium secondaire. Dans un rapport technique publié plus tôt cette année, les ingénieurs de PNNL et de Magna ont noté que :

Les composants automobiles fabriqués à partir d'aluminium secondaire à 100 % offrent > 50 % d'économies d'énergie et > 90 % d'économies de CO2 pendant le processus de fabrication par rapport à l'extrusion conventionnelle. L'utilisation d'Al secondaire comme matière première est non seulement respectueuse de l'environnement, mais peut également réduire considérablement le coût des composants. En effet, la nécessité de diluer Fe avec Al primaire peut être éliminée, éliminant ainsi l'énergie, le carbone et les coûts associés à la production d'aluminium primaire. De plus, les composants automobiles légers fabriqués à partir d'alliages d'aluminium offrent une économie de poids de 25 % par rapport à l'acier à haute résistance de pointe. En conséquence, les composants en acier sont ciblés pour être remplacés par de l'Al lorsque cela est possible.

Pour améliorer la recyclabilité, cet accord coopératif de recherche et développement (CRADA) entre le Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) et Magna Services of America (Magna) visait à développer ShAPE pour démontrer le potentiel de conversion directe des déchets industriels Al en composants automobiles à petite échelle.

Des structures de batterie de véhicule électrique (VE) en Al fournissent une opportunité d'insertion possible basée sur des performances égales ou améliorées, à un coût réduit par rapport aux extrusions classiques. La réduction potentielle des coûts et les avantages environnementaux de l'utilisation de matières premières composées à 100 % d'aluminium secondaire sont bien établis. Cependant, l'utilisation de déchets secondaires sans l'ajout d'Al primaire n'est pas devenue un processus industriel en raison des défis fondamentaux liés aux matériaux associés à la dispersion intermétallique et à la microstructure uniforme. Ces limitations de processus ont été surmontées en utilisant des techniques de déformation plastique sévère (SPD), telles que le pressage angulaire à canaux égaux (ECAP). Bien que réussis d'un point de vue scientifique, l'ECAP et d'autres procédés SPD ne sont pas évolutifs à un niveau industriel. ShAPE combine les avantages microstructuraux du SPD, avec l'évolutivité d'un processus d'extrusion conventionnel pour offrir une technologie unique pour convertir les déchets secondaires Al directement en composants automobiles tout en répondant aux exigences de propriété standard de l'industrie.

Le processus ShAPE de PNNL utilise une machine pour faire tourner des billettes ou des morceaux d'alliage métallique en vrac, créant juste assez de chaleur par friction pour ramollir le matériau afin qu'il puisse être facilement extrudé à travers une filière pour former des tubes, des tiges et des canaux. L'étendue de la génération de chaleur et la profondeur de la zone de déformation sont contrôlées en régulant la vitesse de rotation, la température et la vitesse du vérin.

Les forces linéaires et de rotation simultanées n'utilisent que 10 % de la force généralement nécessaire pour pousser le matériau à travers la matrice dans les procédés conventionnels.

Cette réduction significative de la force permet des machines de production sensiblement plus petites, réduisant ainsi les dépenses en capital et les coûts d'exploitation. La consommation d'énergie est également faible. La quantité d'électricité utilisée pour fabriquer une longueur de 1 pied de tube de 2 pouces de diamètre est à peu près la même que celle nécessaire pour faire fonctionner un four de cuisine résidentiel pendant seulement 60 secondes.

Pour adapter ShAPE à une utilisation avec de l'aluminium secondaire, les ingénieurs ont intégré une configuration de matrice hublot dans le processus rotatif ShAPE. Dans un article publié dans Manufacturing Letters, l'équipe rapporte l'extrusion de profilés circulaires, carrés, trapézoïdaux et trapézoïdaux à deux cellules à partir de déchets industriels en alliage d'aluminium 6063.

La caractérisation microstructurale a été présentée pour un profil trapézoïdal ayant une taille de grain moyenne de 6,7 µm à l'état brut d'extrusion. Les tubes ronds ont atteint une limite d'élasticité (246,9 ± 10,4 MPa), une résistance à la traction ultime (270,8 ± 9,6 MPa) et un allongement uniforme (16,5 ± 2,4 %) dépassant les normes de l'industrie.

Nous avons montré que les pièces en aluminium formées avec le procédé ShAPE répondent aux normes de l'industrie automobile en matière de résistance et d'absorption d'énergie. La clé est que le procédé ShAPE décompose les impuretés métalliques dans la ferraille sans nécessiter une étape de traitement thermique énergivore. Cela seul permet de gagner un temps considérable et introduit de nouvelles efficacités.

Le rapport technique et les publications de recherche marquent l'aboutissement d'un partenariat de quatre ans avec Magna, le plus grand fabricant de pièces automobiles en Amérique du Nord. Magna a reçu un financement pour la recherche collaborative du Bureau des technologies des véhicules du DOE, Programme du Consortium des matériaux légers (LightMAT).

Extrusions fabriquées à partir de déchets industriels AA6063 par ShAPE produisant des profils (a) circulaires, (b) carrés, (c) trapézoïdaux et (d) trapézoïdaux à deux cellules. (Image reproduite avec l'aimable autorisation de Scott Whalen | Laboratoire national du nord-ouest du Pacifique)

Les résultats ont montré que les produits ShAPE sont uniformément résistants et dépourvus de défauts de fabrication qui pourraient entraîner la défaillance des pièces. En particulier, les produits ne présentaient aucun signe de grands amas de métaux, des impuretés qui peuvent entraîner une détérioration des matériaux et qui ont entravé les efforts visant à utiliser de l'aluminium recyclé secondaire pour fabriquer de nouveaux produits.

L'équipe de recherche examine actuellement des alliages d'aluminium encore plus résistants généralement utilisés dans les boîtiers de batterie des véhicules électriques.

Cette innovation n'est que la première étape vers la création d'une économie circulaire pour l'aluminium recyclé dans la fabrication. Nous travaillons actuellement à l'inclusion des flux de déchets post-consommation, ce qui pourrait créer un tout nouveau marché pour les déchets d'aluminium secondaires.

En plus de Whalen, l'équipe de recherche du PNNL comprenait Nicole Overman, Brandon Scott Taysom, Md. Reza-E-Rabby, Mark Bowden et Timothy Skszek. En plus de DiCiano, les contributeurs de Magna comprenaient Vanni Garbin, Michael Miranda, Thomas Richter, Cangji Shi et Jay Mellis. Ce travail a été soutenu par le bureau des technologies des véhicules du DOE, programme LightMAT.

La technologie brevetée ShAPE est disponible sous licence pour d'autres applications.

Ressources

Scott Whalen, Brandon Scott Taysom, Nicole Overman, Md. Reza-E-Rabby, Yao Qiao, Thomas Richter, Timothy Skszek, Massimo Dicano (2023) "Extrusion de saignement de l'aluminium 6063 Scasse industrielle par cisaillement et extrusion,"

Publié le 19 avril 2023 dans Fabrication, Contexte du marché, Matériaux, Recyclage | Lien permanent | Commentaires (0)