Extrusion : Procédé, Types et Applications Pratiques

Qu'est-ce que l'Extrusion ?

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

L'étirage est un procédé similaire, utilisant la résistance à la traction du matériau pour le tirer à travers la filière. Il limite la quantité de transformation réalisable en une seule étape, le limitant donc à des formes plus simples, et plusieurs étapes sont généralement nécessaires. L'étirage est la principale façon de produire du fil. Les barres et tubes métalliques sont aussi souvent étirés.

L'extrusion peut être continue (produisant théoriquement un matériau indéfiniment long) ou semi-continue (produisant de nombreuses pièces). Elle peut être réalisée à chaud ou à froid. Les matériaux couramment extrudés incluent les métaux, polymères, céramiques, béton, argile de modelage et denrées alimentaires. Les produits de l'extrusion sont généralement appelés extrudats.

Également appelé « flambage 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 soutenir la barrière centrale de la filière. Au lieu de cela, la filière prend la forme d'un bloc avec une profondeur, commençant d'abord par un profil de forme qui soutient la section centrale.

La forme de la filière change ensuite intérieurement le long de sa longueur pour atteindre la forme finale, les pièces centrales suspendues étant soutenues depuis l'arrière de la filière. Le matériau s'écoule autour des supports et se soude 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 uniformes sur toute la longueur des extrudats
• Les facteurs affectant la qualité de l'extrusion sont la conception de la filière, le rapport d'extrusion, la température du lingot, 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 clés de conception de l'extrusion métallique et les conseils de conception pour la fabrication (DFM) en extrusion.
• Similaire à tout autre procédé de formage des métaux, il peut être effectué à chaud ou à froid, bien que le procédé soit généralement réalisé à des températures élevées afin de réduire la force d'extrusion et d'améliorer la ductilité du matériau
• Faible coût grâce à la réduction des déchets de matière première et au taux de production élevé
• Les matériaux fragiles peuvent être déformés sans déchirure car il n'exerce que des forces de compression et de cisaillement sur la pièce
• Les pièces formées ont une excellente finition de surface qui minimise l'usinage de post-traitement
• L'extrusion métallique tend à produire une structure de grains allongée favorable dans le sens du matériau
• Une épaisseur de paroi minimale d'environ 1 mm (aluminium) à 3 mm (acier) peut être atteinte

Types de Procédé d'Extrusion

L'extrusion métallique peut être subdivisée et regroupée en les catégories suivantes selon la direction du flux d'extrusion, le milieu utilisé pour appliquer la force, 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 avant, est le type d'extrusion le plus courant. Elle commence par le chargement d'un lingot chauffé (uniquement pour l'extrusion à chaud, discutée plus tard) dans une cavité de presse où un bloc factice est placé derrière.

Ensuite, le vérin mécanique ou hydraulique presse sur le matériau pour le pousser à travers la filière. Puis, alors qu'il est encore chaud, la pièce est étirée pour la redresser. Ce processus est magnifiquement animé par Core Materials.

Dans l'extrusion directe, la friction élevée causée par les aciers à haute température est réduite en utilisant du verre fondu comme lubrifiant, tandis que des huiles avec poudre de graphite sont utilisées pour la lubrification à basse température. Le bloc factice est utilisé pour protéger l'extrémité de la tige de pression (poinçon ou bélier) en extrusion à chaud.

Lorsque le poinçon atteint la fin de sa course, une petite partie du lingot appelée « culot » ne peut pas être poussée à travers l'ouverture de la filière.

Avantages de l'extrusion directe des métaux

• Aucune modification du lingot 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 des métaux

• Force élevée requise en raison de la friction
• Culot restant à l'intérieur de la cavité
• La force requise pour pousser le bélier change au fur et à mesure que le poinçon avance

2. Extrusion Indirecte

Dans l'extrusion indirecte, la filière est située à l'extrémité du vérin hydraulique et se déplace vers le lingot à l'intérieur de la cavité pour pousser le matériau à travers la filière.

Ce procédé consomme moins d'énergie en raison du conteneur de lingot statique causant moins de friction sur le lingot. Cependant, soutenir la pièce extrudée est difficile lorsque l'extrudat sort de la filière.

Avantages de l'extrusion indirecte des métaux

• 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 indirecte des métaux

• Difficile de soutenir la pièce extrudée
• Le bélier creux limite la charge appliquée

3. Extrusion Hydrostatique

Dans l'extrusion hydrostatique, la chambre/cavité est plus petite que le lingot et remplie de fluide hydraulique qui transmet la force du bélier au lingot. Bien que des forces tri-axiales soient appliquées par le fluide, la pression améliore la formabilité du lingot. L'étanchéité du fluide doit être considérée dès les premières étapes pour éviter toute fuite et problème de pression réduite.

Bien que le fluide hydraulique élimine la friction entre la paroi et le lingot en les isolant, en raison de l'exigence d'équipement spécialisé, du temps de mise en place élevé et du faible taux de production, son utilisation dans l'industrie est limitée par rapport aux autres procédés d'extrusion.

Avantages de l'extrusion hydrostatique des métaux

• Faible besoin en puissance/force en raison de l'absence de friction
• Taux de production rapides et rapports de réduction élevés
• Température du lingot plus basse
• Écoulement uniforme du matériau grâce à la distribution équilibrée des forces
• Grands lingots et grandes sections transversales peuvent être extrudés
• Aucun résidu de lingot ne reste dans le conteneur

Inconvénients de l'extrusion hydrostatique des métaux

• Les lingots nécessitent une préparation en effilant une extrémité pour correspondre à l'angle d'entrée de la filière
• Seule l'extrusion à froid est possible
• Difficile de contenir le fluide haute pression

4. Extrusion Latérale

Dans l'extrusion latérale, le conteneur est en position verticale et la filière est située sur le côté. Ce procédé convient aux matériaux à bas point de fusion.

5. Extrusion par Impact

L'extrusion par impact fait partie de la catégorie d'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 lopin pour l'extruder vers l'arrière.

L'épaisseur de l'extrudat est fonction du jeu entre le poinçon et la cavité de la filière. Les extrudats sont éjectés du poinçon à l'aide d'une plaque de dépilage.

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.

Puisque les forces agissant sur le poinçon et la filière sont extrêmement élevées, l'outillage doit avoir une résistance aux chocs, à la fatigue et une résistance suffisante pour l'extrusion du métal par impact. L'extrusion par impact peut être divisée en trois types selon le flux du matériau :

• Directe
• Inverse
• Combinée

Dans l'extrusion par impact directe, le métal s'écoule dans la même direction que la force appliquée, tandis qu'il s'écoule dans la direction opposée dans l'extrusion par impact inverse.

Avantages de l'extrusion par impact des métaux

• Économie de matière première jusqu'à 90 %
• Réduction des temps d'usinage jusqu'à 75 %
• Élimination des opérations d'usinage secondaires
• Réduction des assemblages multi-pièces
• Amélioration des propriétés mécaniques pour la résistance du matériau et l'usinage grâce au travail à froid du matériau
• Réduction significative des coûts totaux des pièces jusqu'à 50 %
• Tubes à parois minces, fermés à une extrémité, sont souvent produits dans l'industrie par extrusion par impact arrière.

Inconvénients de l'extrusion par impact des métaux

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

Applications de l'Extrusion

• L'extrusion est largement utilisée dans la production de tubes et tuyaux creux.
• L'extrusion d'aluminium est utilisée dans les travaux de structure dans de nombreuses industries.
• Ce procédé est utilisé pour produire des cadres, portes, 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 (ratio de la section transversale du lingot à la section transversale de la pièce extrudée).
• Elle peut facilement créer des sections transversales complexes.
• Ce travail peut être réalisé avec des matériaux fragiles et ductiles.
• Des propriétés mécaniques élevées peuvent être atteintes par extrusion à froid.

Inconvénients de l'Extrusion

• Coût initial ou de mise en place élevé.
• Force de compression élevée requise.