L'extrusion expliquée : processus, types et applications clés

Qu'est-ce que l'extrusion ?

L'extrusion est un procédé pour créer des objets à profil transversal fixe en poussant le matériau à travers une filière du profil transversal désiré. Ses deux avantages principaux sur d'autres procédés : capacité de créer des sections transversales très complexes ; et travail de matériaux fragiles, car le matériau ne subit que des contraintes de compression et cisaillement. Elle crée aussi une excellente finition de surface et donne une grande liberté de forme dans la conception.

L'étirage est un procédé similaire, utilisant la résistance à la traction du matériau pour le tirer à travers la filière. Il limite le changement possible en une étape, donc limité à formes simples, et plusieurs étapes sont généralement nécessaires. L'étirage est la principale façon de produire du fil. Barres et tubes métalliques sont aussi souvent étirés.

L'extrusion peut être continue (théoriquement longueur indéfinie) ou semi-continue (produisant plusieurs pièces). Peut se faire à chaud ou à froid. Matériaux couramment extrudés : métaux, polymères, céramiques, béton, argile à modeler, aliments. Produits = extrudats.

Également appelé « flanchage de trou », les cavités creuses dans le matériau extrudé ne peuvent pas être produites avec une simple filière plate car il n'y aurait pas de support pour la barrière centrale. Au lieu de cela, la filière prend la forme d'un bloc avec profondeur, commençant par un profil qui supporte la section centrale.

La forme de la filière change ensuite intérieurement le long de sa longueur vers la forme finale, les pièces centrales suspendues étant supportées depuis l'arrière de la filière. Le matériau s'écoule autour des supports et fusionne pour créer la forme fermée désirée.

L'extrusion des métaux peut aussi augmenter leur résistance.

Caractéristiques de l'extrusion

• Crée des sections transversales complexes et uniformes sur toute la longueur des extrudats
• Facteurs affectant la qualité : design filière, ratio d'extrusion, température du lingot, lubrification, vitesse d'extrusion. Consultez le guide détaillé « Comment concevoir des pièces pour l'extrusion directe de métal » pour les 5 variables clés et conseils DFM.
• Similaire à autres procédés de formage métal, peut être chaud ou froid, mais généralement à températures élevées pour réduire la force d'extrusion et améliorer la ductilité
• Faible coût grâce à réduction déchets matière première et haut taux de production
• Matériau fragile déformable sans déchirure car seules forces compression et cisaillement sur la pièce
• Pièces formées ont excellente finition surface minimisant l'usinage post-traitement
• L'extrusion métal tend à produire une structure de grain allongée favorable dans le sens du matériau
• Épaisseur de paroi min ~1 mm (aluminium) à ~3 mm (acier) achievable

Types de processus d'extrusion

L'extrusion métal peut être subdivisée et groupée en catégories selon le sens d'écoulement, le milieu appliquant 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

Extrusion directe, parfois appelée extrusion avant, est le type le plus courant. Commence par charger un lingot chauffé (solo pour extrusion à chaud) dans un conteneur de presse où un bloc factice est placé derrière.

Puis le bélier mécanique ou hydraulique presse le matériau pour le pousser à travers la filière. Puis, encore chaud, la pièce est étirée pour redresser. Ce processus est magnifiquement animé par Core Materials.

En extrusion directe, la forte friction des aciers à haute température est réduite avec du verre fondu comme lubrifiant, tandis que huiles avec poudre de graphite servent pour basses températures. Le bloc factice protège l'extrémité de la tige de presse (poinçon/bélier) en extrusion à chaud.

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

Avantages de l'extrusion directe métal

• Aucune modification de lingot requise
• Utilisable pour extrusion à chaud et à froid
• Outillage simple comparé aux autres procédés d'extrusion

Inconvénients de l'extrusion directe métal

• Force élevée requise due à la friction
• Bout de lingot laissé dans la cavité
• Force pour pousser le bélier change pendant le mouvement du poinçon

2. Extrusion indirecte

En extrusion indirecte, la filière est à l'extrémité du bélier hydraulique et se déplace vers le lingot dans la cavité pour pousser le matériau à travers la filière.

Ce processus consomme moins d'énergie grâce au conteneur de lingot statique causant moins de friction sur le lingot. Cependant, soutenir la pièce extrudée est difficile quand l'extrudat sort de la filière.

Avantages de l'extrusion indirecte métal

• Moins de friction et moins de puissance utilisée
• Utilisable pour extrusion à chaud et à froid
• Outillage simple comparé aux autres procédés

Inconvénients de l'extrusion indirecte métal

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

3. Extrusion hydrostatique

En extrusion hydrostatique, la chambre/cavité est plus petite que le lingot et remplie de fluide hydraulique qui transfère la force du bélier au lingot. Bien que des forces triaxiales soient appliquées par le fluide, la pression améliore la formabilité du lingot. L'étanchéité du fluide doit être considérée tôt pour éviter fuites et perte de pression.

Bien que le fluide élimine la friction paroi-lingot en les isolant, l'équipement spécialisé, le temps de mise en place long et le faible taux de production limitent son usage comparé aux autres procédés.

Avantages de l'extrusion hydrostatique métal

• Faible besoin puissance/force grâce à pas de friction
• Taux production rapides & hauts ratios réduction
• Température lingot plus basse
• Écoulement uniforme grâce à distribution force équilibrée
• Gros lingots et grandes sections transversales extrudables
• Aucun résidu de lingot dans le conteneur

Inconvénients de l'extrusion hydrostatique métal

• Lingots doivent être préparés en effilant une extrémité pour correspondre à l'angle d'entrée de la filière
• Seule extrusion à froid possible
• Difficile de contenir le fluide haute pression

4. Extrusion latérale

En extrusion latérale, le conteneur est en position verticale et la filière sur le côté. Adapté aux matériaux à bas point de fusion.

5. Extrusion par impact

L'extrusion par impact fait partie de l'extrusion à froid, très similaire à l'extrusion indirecte, limitée aux métaux tendres : Plomb, Aluminium, Cuivre. Le poinçon est poussé vers le bas à haute vitesse avec force extrême sur le slug pour extruder vers l'arrière.

L'épaisseur de l'extrudé dépend du jeu entre poinçon et cavité de filière. Les extrudats glissent hors du poinçon par une plaque de dépilage.

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

Comme forces sur poinçon et filière sont extrêmes, outillage doit avoir résistance à l'impact, fatigue, et résistance suffisante. L'extrusion par impact se divise en trois types selon l'écoulement du matériau :

• Avant
• Arrière
• Combinée

En extrusion par impact avant, le métal s'écoule dans le même sens que la force ; en arrière, en sens inverse.

Avantages de l'extrusion par impact métal

• Économie matière première jusqu'à 90 %
• Temps usinage réduits jusqu'à 75 %
• Élimination opérations d'usinage secondaires
• Réduction assemblages multi-pièces
• Propriétés mécaniques améliorées pour résistance et usinage grâce au travail à froid
• Réduction coûts totaux pièce jusqu'à 50 %
• Tubes à parois minces, fermés d'un côté, souvent produits par extrusion par impact arrière.

Inconvénients de l'extrusion par impact métal

• Produit tant que pièce symétrique par rapport à l'axe de formation
• Beaucoup de pièces formées par impact nécessitent processus supplémentaires : forgeage, ferrage, usinage, avant completion

Applications de l'extrusion

• Largement utilisée pour production de tubes et tuyaux creux.
• Extrusion aluminium utilisée dans travaux de structure dans nombreuses industries.
• Processus pour produire cadres, portes, fenêtres, etc. dans industrie automobile.
• Largement utilisée pour produire objets en plastique.

Avantages de l'extrusion

• Ratio d'extrusion élevé (ratio section transversale lingot / section transversale pièce extrudée).
• Peut facilement créer section transversale complexe.
• Fonctionne avec matériaux fragiles et ductiles.
• Hautes propriétés mécaniques achievable par extrusion à froid.

Inconvénients de l'extrusion

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