Qu'est-ce que l'extrusion ? - Fonctionnement, types et application

Qu'est-ce que l'extrusion ?

L'extrusion est un processus utilisé pour créer des objets d'un profil de section fixe en poussant le matériau à travers une filière de la section souhaitée. Ses deux principaux avantages par rapport aux autres procédés de fabrication sont sa capacité à créer des sections très complexes; et de travailler des matériaux fragiles, car le matériau ne subit que des contraintes de compression et de cisaillement. Il crée également une excellente finition de surface et offre une liberté de forme considérable dans le processus de conception.

L'étirage est un processus similaire, utilisant la résistance à la traction du matériau pour le tirer à travers la matrice. Il limite la quantité de modifications pouvant être effectuées en une seule étape, il est donc limité à des formes plus simples et plusieurs étapes sont généralement nécessaires. Le tréfilage est le principal moyen de produire du fil. Les barres et tubes métalliques sont également souvent dessinés.

L'extrusion peut être continue (produisant théoriquement un matériau indéfiniment long) ou semi-continue (produisant de nombreuses pièces). Il peut être fait avec du matériel chaud ou froid. Les matériaux couramment extrudés comprennent les métaux, les polymères, la céramique, le béton, la pâte à modeler et les denrées alimentaires. Les produits d'extrusion sont généralement appelés extrudats.

Aussi appelées « brides de trous », les cavités creuses dans le matériau extrudé ne peuvent pas être produites à l'aide d'une simple filière d'extrusion plate car il n'y aurait aucun moyen de supporter la barrière centrale de la filière. Au lieu de cela, la matrice prend la forme d'un bloc avec une profondeur, en commençant d'abord par un profil de forme qui prend en charge la section centrale.

La forme de la matrice change ensuite en interne sur sa longueur pour prendre la forme finale, les pièces centrales suspendues étant soutenues par l'arrière de la matrice. Le matériau coule autour des supports et fusionne pour créer la forme fermée souhaitée.

L'extrusion des métaux peut également augmenter leur résistance.

Caractéristiques de l'extrusion

• Capable de créer des sections transversales complexes et sera uniforme sur toute la longueur des extrudats
• Les facteurs qui affectent la qualité de l'extrusion sont la conception de la filière, le rapport d'extrusion, la température de la billette, la lubrification et la vitesse d'extrusion. Consultez le guide de conception détaillé pour l'extrusion métallique, "Comment concevoir des pièces pour l'extrusion directe de métal" pour comprendre les 5 variables de conception clés de l'extrusion métallique et les conseils de conception d'extrusion de conception pour la fabrication (DFM).
• Semblable à tout autre processus de formage des métaux, il peut être effectué à chaud ou à froid, bien que le processus soit généralement effectué à des températures élevées afin de réduire la force d'extrusion et d'améliorer la ductilité du matériau
• Faible coût grâce à la réduction du gaspillage de matières premières et au taux de production élevé
• Un matériau fragile peut être déformé sans déchirure car il n'exerce que des forces de compression et de cisaillement dans la pièce d'origine
• Les pièces formées ont une excellente finition de surface qui minimise l'usinage post-traitement
• L'extrusion de métal a tendance à produire une structure de grain allongée favorable dans la direction du matériau.
• L'épaisseur de paroi minimale de ~1 mm (aluminium) à ~3 mm (acier) peut être atteinte

Types de processus d'extrusion

L'extrusion de métal peut être subdivisée et regroupée dans les catégories suivantes en fonction de la direction du flux d'extrusion, du milieu utilisé pour appliquer la force, de la température de travail, etc.

• Extrusion directe
• Extrusion indirecte
• Extrusion hydrostatique
• Extrusion latérale ou verticale
• Extrusion à chaud
• Extrusion à froid
• Extrusion par impact

1. Extrusion directe

L'extrusion directe, parfois appelée extrusion directe, est le type d'extrusion le plus courant. Commencez par charger une billette chauffée (uniquement pour l'extrusion à chaud, discutée plus tard) dans un conteneur de cavité de presse où un bloc factice est placé derrière.

Ensuite, le vérin mécanique ou hydraulique appuie sur le matériau pour le pousser à travers la matrice. Puis, encore chaude, la pièce est étirée pour se redresser. Ce processus est magnifiquement animé par Core Materials.

Sous extrusion directe, le frottement élevé causé par les aciers à des températures plus élevées est réduit en utilisant du verre fondu comme lubrifiant tandis que des huiles avec de la poudre de graphite sont utilisées pour la lubrification à basse température. Le faux bloc sert à protéger la pointe de la tige de pressage (poinçon ou pilon) en extrusion à chaud.

Lorsque le poinçon atteint la fin de sa course, une petite partie de la billette appelée "butt end" ne peut pas être poussée à travers l'ouverture de la matrice.

Avantages de l'extrusion directe de métal

• Aucune modification de billette requise
• Peut être utilisé pour l'extrusion à chaud et à froid
• Outillage simple par rapport aux autres procédés d'extrusion

Inconvénients de l'extrusion directe de métal

• Exigence de force élevée due au frottement
• Bout à gauche à l'intérieur de la cavité
• La force nécessaire pour pousser le vérin change lorsque le poinçon se déplace

2. Extrusion indirecte

Dans l'extrusion indirecte, la filière est située à l'extrémité du vérin hydraulique et se déplace vers la billette à l'intérieur de la cavité pour pousser le matériau à travers la filière. Ceci est illustré dans la figure 2 ci-dessous.

Ce processus consomme moins d'énergie car le conteneur de billette statique provoque moins de frottement sur la billette. Cependant, le support de la pièce extrudée est difficile lorsque l'extrudat sort de la filière.

Avantages de l'extrusion métallique indirecte

• Moins de friction et moins d'énergie utilisée
• Peut être utilisé pour l'extrusion à chaud et à froid
• Outillage simple par rapport aux autres procédés d'extrusion

Inconvénients de l'extrusion métallique indirecte

• Difficile de supporter la pièce extrudée
• Le vérin creux limite la charge appliquée

3. Extrusion hydrostatique

Dans l'extrusion hydrostatique, la chambre/cavité est rendue plus petite que la billette et remplie de fluide hydraulique qui transfère la force du vérin à la billette. Bien que des forces triaxiales soient appliquées par le fluide, la pression améliore la formabilité de la billette sur la billette. L'étanchéité du fluide doit être envisagée dès les premières étapes pour éviter tout problème de fuite et de réduction de pression.

Bien que le fluide hydraulique élimine le frottement entre la paroi et la billette en les isolant, en raison de l'exigence d'un équipement spécialisé, le temps d'installation élevé et le faible taux de production limitent son utilisation dans l'industrie par rapport à d'autres procédés d'extrusion.

Avantages de l'extrusion de métal hydrostatique

• Faible besoin de puissance/force en raison de l'absence de frottement
• Taux de production rapides et taux de réduction élevés
• Réduire la température des billettes
• Flux uniforme de matériau grâce à la répartition équilibrée de la force
• De grandes billettes et de grandes sections peuvent être extrudées
• Aucun résidu de billette n'est laissé dans le conteneur

Inconvénients de l'extrusion de métal hydrostatique

• Les billettes doivent être préparées en effilant une extrémité pour correspondre à l'angle d'entrée de la matrice
• Seule l'extrusion à froid est possible
• Difficile de contenir le fluide à haute pression

4. Extrusion latérale

Dans l'extrusion latérale, le conteneur est en position verticale, comme indiqué sur l'image, et la matrice est située sur le côté. Ce processus convient aux matériaux à bas point de fusion.

5. Extrusion par impact

L'extrusion par impact fait partie de la catégorie de l'extrusion à froid très similaire à l'extrusion indirecte et limitée aux métaux plus tendres tels que le plomb, l'aluminium et le cuivre. Comme l'illustre le schéma, le poinçon est poussé vers le bas à grande vitesse et exerce une force extrême sur le lingot pour s'extruder vers l'arrière.

L'épaisseur de l'extrusion est fonction du jeu entre le poinçon et la cavité de la matrice. Les extrudats sont glissés du poinçon à l'aide d'une plaque de dévêtissage.

Pour les extrusions par impact, une presse mécanique est souvent utilisée et la pièce est formée à grande vitesse et sur une course relativement courte

Étant donné que les forces agissant sur le poinçon et la matrice sont extrêmement élevées, l'outillage doit avoir une résistance aux chocs, une résistance à la fatigue et une résistance suffisantes pour extruder le métal par l'impact. L'extrusion par impact peut être divisée en trois types suivants par le flux du matériau.

• Suivant
• Inverser
• Combinaison

Dans l'extrusion par impact direct, le métal s'écoule dans la même direction que la force est délivrée alors qu'il s'écoule dans la direction opposée dans l'extrusion par impact inverse.

Avantages de l'extrusion de métal par impact

• Économies de matières premières jusqu'à 90 %
• Réduction des temps d'usinage jusqu'à 75 %
• Élimination des opérations d'usinage secondaires
• Réduction des assemblages en plusieurs parties
• Amélioration des propriétés mécaniques pour la résistance du matériau et l'usinage grâce au travail à froid du matériau
• Réduction significative du coût total des pièces jusqu'à 50 %
• Les tubes creux à parois minces, fermés à une extrémité, sont souvent produits dans l'industrie manufacturière par extrusion par impact vers l'arrière.

Inconvénients de l'extrusion de métal par impact

• Produit tant que la pièce est symétrique par rapport à l'axe par lequel elle est formée
• De nombreuses pièces formées par impact, dans l'industrie, nécessiteront d'autres processus de fabrication, tels que le forgeage du métal, le repassage ou l'usinage, avant l'achèvement

Application de l'extrusion

• L'extrusion est largement utilisée dans la production de tubes et de tuyaux creux.
• L'extrusion d'aluminium est utilisée dans les travaux de structure dans de nombreuses industries.
• Ce processus est utilisé pour produire des cadres, des portes, des fenêtres, etc. dans l'industrie automobile.
• L'extrusion est largement utilisée pour produire des objets en plastique.

Avantages de l'extrusion

• Rapport d'extrusion élevé (il s'agit du rapport entre la surface de la section transversale de la billette et la surface de la section transversale de la pièce extrudée).
• Il peut facilement créer une section transversale complexe.
• Ce travail peut être effectué avec des matériaux fragiles et ductiles.
• Des propriétés mécaniques élevées peuvent être obtenues par extrusion à froid.

Inconvénients de l'extrusion

• Coût initial ou de configuration élevé
• Force de compression élevée requise.