Comprendre le processus d'extrusion : applications, matériaux et techniques

L'extrusion est l'un des procédés les plus courants dans la production moderne. Elle utilise une grande variété de matériaux : métaux, plastiques, céramiques, etc. Le processus peut être effectué à chaud ou à froid selon les propriétés recherchées. L'extrusion des métaux peut augmenter la résistance du matériau.

Cet article couvre la définition, applications, fonctionnement, processus, matériaux, équipements, types, principe de l'extrusion, ainsi que ses avantages et inconvénients.

Qu'est-ce que l'extrusion ?

L'extrusion est un procédé de mise en forme par moulage qui consiste à forcer un matériau de base à travers une filière préformée pour créer des objets à section transversale et profil spécifiques. Ce procédé produit des objets à section transversale fixe. En fonctionnement, le matériau est poussé à travers une filière de la section désirée ; sa forme change pour refléter celle de la filière. Les produits d'extrusion sont généralement appelés "extrudats".

Le rapport d'extrusion est défini comme la section transversale initiale divisée par la section transversale finale de l'extrudat. Un avantage majeur : ce rapport peut être très élevé tout en produisant des pièces de qualité. Le procédé permet de créer des sections transversales très complexes et de travailler des matériaux fragiles, car le matériau ne subit que des contraintes de compression et de cisaillement. L'extrusion offre également une excellente finition de surface et une grande liberté de conception.

L'extrusion est similaire au filage (drawing), qui utilise la résistance à la traction du matériau pour le tirer à travers la filière. Le filage produit fils, barres métalliques et tubes, mais se limite à des formes plus simples et nécessite généralement plusieurs passes, contrairement à l'extrusion qui fait tout en une étape.

L'extrusion est continue (production théorique de longueur indéfinie) ou semi-continue (production de nombreuses pièces). Matériaux courants : métaux, polymères, céramiques, béton, argile de modelage, denrées alimentaires.

Applications de l'extrusion

L'extrusion est omniprésente : la plupart des matériaux de nos maisons, bureaux, lieux de travail sont des extrudats. Un exemple simple : presser un tube de dentifrice, la forme que prend la pâte en sortant. Une poche à douille pour glaçage est un autre exemple.

L'extrusion de plastiques produit toute forme longue à section transversale constante : tuyaux, gouttières, profilés de fenêtres, baguettes décoratives. Les thermoplastiques comme PVC, PEBD (LDPE), PEHD (HDPE), PP (polypropylène) sont tous extrudables. Applications courantes des extrudats thermoplastiques :

• Revêtement isolant pour fils et câbles
• Plaques plastiques planes pour panneaux, vitrages, intérieurs de réfrigérateurs
• Applications d'éclairage
• Monofilaments pour cordons, soies, fibres textiles synthétiques
• Tubes et tuyaux pour flexibles, eau, gaz, égouts, drains

Applications industrielles :

• Production de tubes et tuyaux creux
• Extrusion d'aluminium pour structures dans de nombreuses industries
• Pièces automobiles largement produites par ce procédé

Note : la fonction primaire de l'extrusion est de fabriquer des objets à sections transversales et profils fixes.

Processus d'extrusion

Les processus d'extrusion à chaud ou tiède commencent par le chauffage de la matière première (brame/billette), chargée dans le conteneur de la presse. Un bloc factice est placé derrière ; un bélier presse le matériau pour le faire sortir par la filière. L'extrudat est ensuite étiré pour le redresser. L'exigence de propriétés spécifiques ou améliorées impose un travail à froid ou un traitement thermique.

Extrusion à chaud :

Procédé de travail à chaud, effectué au-dessus de la température de recristallisation du matériau. Cela empêche l'écrouissage et facilite le passage du matériau dans la filière. Principalement réalisée sur presses hydrauliques horizontales, de 230 à 11 000 tonnes métriques (250 à 12 130 tonnes courtes). Pressions de 30 à 700 MPa (4 400 à 101 500 psi). Lubrification requise : huile ou graphite pour basses températures, poudre de verre pour hautes températures.

Les métaux requièrent différentes températures en extrusion à chaud : magnésium, aluminium, cuivre, acier, titane, nickel, alliages réfractaires, etc. Tous exigent des températures spécifiques.

Extrusion à froid :

Effectuée à température ambiante ou proche. Avantages sur le procédé à chaud : absence d'oxydation, résistance plus élevée par écrouissage, tolérances plus serrées, meilleure finition de surface, vitesses d'extrusion rapides. Matériaux courants : plomb, étain, aluminium, cuivre, zirconium, titane, molybdène, béryllium, vanadium, niobium, acier. Applications : tubes collapsibles, corps d'extincteurs, cylindres d'amortisseurs, ébauches d'engrenages.

Extrusion tiède (Warm extrusion) :

Bénéfique pour métaux ferreux et non ferreux et alliages. Effectuée au-dessus de la température ambiante mais en dessous de la température de recristallisation. Températures : 800 à 1800 °F (424 à 975 °C). Permet d'atteindre l'équilibre entre forces requises, ductilité et propriétés finales de l'extrudat.

Extrusion par friction :

Introduite pour produire des microstructures homogènes et une distribution uniforme des particules dans les composites à matrice métallique. Diffère radicalement de l'extrusion conventionnelle : la charge tourne par rapport à la filière. Une force d'extrusion pousse la charge contre la filière. La filière ou la charge peut tourner, ou contre-rotation dans certains cas. Ce mouvement rotatif relatif a plusieurs effets significatifs :

• Grandes contraintes de cisaillement dues au mouvement relatif dans le plan de rotation
• Déformation plastique dans la couche de charge en contact avec et près de la filière
• La déformation plastique est dissipée par récupération et recristallisation, entraînant un chauffage substantiel de la charge en déformation
• Pas de préchauffage auxiliaire de la charge, processus potentiellement plus économe en énergie

Deuxièmement,

• Le niveau substantiel de déformation plastique dans la zone de mouvement rotatif relatif peut favoriser le soudage à l'état solide de poudres. Autres précurseurs finement divisés (paillettes, copeaux), consolidant efficacement les charges (consolidation par friction) avant extrusion.

Micro-extrusion :

Procédé de micro-formage par extrusion à l'échelle submillimétrique. Conventionnellement, le métal est poussé à travers une orifice de filière, mais la section transversale du produit peut passer dans un carré de 1 mm. En extrusion directe, bélier et billette se déplacent dans le même sens ; en extrusion inverse, en sens opposés.

Matériaux utilisés en extrusion

Comme mentionné, les matériaux d'extrusion peuvent être métaux, bois, plastiques, céramiques. Détails ci-dessous.

Métaux :

Les métaux sont parmi les matériaux les plus courants en extrusion. Le type de métal détermine la température de travail et la propriété recherchée. Voici les principaux :

Aluminium — le plus couramment extrudé, à chaud ou à froid selon l'opération. Chauffe à 300–600 °C (575–1100 °F). Produits extrudés : profils pour rails, cadres, montants, dissipateurs thermiques.

Laiton — pièces d'ingénierie, pièces automobiles, raccords de tuyauterie, tiges sans corrosion.

Cuivre — tubes, fils, tiges, barres, électrodes de soudage. Température de travail : 600–1000 °C (1100–1825 °F).

Plomb et étain — tubes, gaines de fils et câbles à 300 °C max (575 °F). Plomb fondu peut remplacer les billettes en extrusion verticale.

Magnésium — pièces nucléaires et aéronautiques à 300–600 °C (575–1100 °F). Niveau d'extrusion proche de l'aluminium.

Zinc — raccords, mains courantes, composants quincaillerie, tubes, barres, tiges à 200–350 °C (400–650 °F).

Acier — tiges et rails à 1000–1300 °C (1825–2375 °F). Acier allié et inoxydable extrudables, mais généralement acier au carbone ordinaire.

Titane — composants aéronautiques : rails de sièges, anneaux de moteur, pièces structurelles. Température : 600–1000 °C (1100–1825 °F).

Plastiques :

Autre matériau courant. Utilisés sous forme de granulés ou paillettes, généralement séchés pour éliminer l'humidité. Dans l'extrudeuse, le matériau est alimenté par une trémie, chauffé à l'état fondu par éléments chauffants et cisaillement de la vis d'extrusion. La vis (ou vis jumelles en bi-vis) force la résine à travers la filière, lui donnant la forme désirée.

L'extrudat est refroidi et solidifié en passant à travers la filière ou un bac d'eau. Pour améliorer la qualité, un tracteur à chenilles (caterpillar haul-off) assure une tension constante sur la ligne d'extrusion. Des granulateurs peuvent aussi créer cette tension en tirant les brins extrudés pour les couper, mais le tracteur à chenilles assure un tirage constant. Sinon, vibrations dans la longueur de coupe ou produit déformé.

Schéma des processus d'extrusion plastique :

Regardez la vidéo ci-dessous pour comprendre le processus d'extrusion plastique :

Céramique :

La céramique peut être formée par extrusion. De nombreuses briques modernes sont produites par extrusion de brique.

Équipements d'extrusion

Les équipements varient selon quatre caractéristiques :

• Mouvement de l'extrusion par rapport au bélier : extrusion directe ou indirecte. Directe = filière fixe, bélier se déplace vers elle. Indirecte = bélier fixe, filière se déplace vers le bélier. Détail ci-après.
• Position de la presse : verticale ou horizontale
• Type d'entraînement : hydraulique ou mécanique
• Type de charge appliquée : conventionnelle (variable) ou hydrostatique

En équipement d'extrusion, une vis unique ou double (auger), motorisée électriquement, ou un bélier entraîné par pression hydraulique ou d'huile. La plupart des presses d'extrusion directe ou indirecte modernes sont hydrauliques, mais de petites presses mécaniques sont encore utilisées. Ces presses hydrauliques sont de deux types : presses à huile à entraînement direct et presses à accumulateur d'eau.

Schéma d'équipement d'extrusion :

Les presses à huile à entraînement direct sont parmi les plus courantes, fiables et robustes. Elles délivrent plus de 35 MPa (5000 psi). La billette reçoit une pression constante. Cependant, cet équipement est lent, entre 50 et 200 mm/s (2–8 pouces/s).

Les presses à accumulateur d'eau sont plus chères et plus grosses. Elles perdent environ 10 % de leur pression sur la course, mais travaillent beaucoup plus vite, jusqu'à ~380 mm/s (15 pouces/s). C'est pourquoi elles servent pour l'extrusion d'acier. Elles peuvent aussi être utilisées sur matériaux nécessitant des températures très élevées pour des raisons de sécurité.

Types de procédés d'extrusion

Classification selon :

Selon le sens d'écoulement du matériau

Extrusion directe :

Le matériau s'écoule dans le sens d'avance du poinçon. Ce dernier se déplace vers la filière. L'extrusion directe demande une force plus élevée du fait du frottement important entre billette et conteneur. Aussi appelée extrusion en avant, très courante en industrie. Fonctionnement : la billette est placée dans un conteneur à parois épaisses, poussée à travers la filière par un bélier ou une vis. Un bloc factice réutilisable entre le bélier et la billette les maintient séparés.

Limite majeure : force d'extrusion élevée requise. Frottements dus au parcours complet de la billette dans le conteneur. Force maximale au début, diminuant progressivement, puis augmentant fortement en fin de billette (matériau mince, écoulement radial pour sortir par la filière).

Extrusion indirecte :

Le matériau s'écoule dans le sens opposé au mouvement du poinçon. La filière est fixée du côté opposé au mouvement du poinçon. Le matériau s'écoule par l'espace annulaire entre poinçon et conteneur. Aussi appelée extrusion en arrière. La billette et le conteneur bougent ensemble, la filière est fixe. Une "tige" (stem) plus longue que le conteneur maintient la filière en place. La longueur maximale d'extrusion est limitée par la résistance à la flambage de la tige. Le déplacement conjoint billette-conteneur élimine les forces de frottement.

Avantages de l'extrusion indirecte :

• Réduction de 25 à 30 % du frottement : permet billettes plus grosses, vitesse accrue, sections transversales plus petites extrudables
• Moins de risque de fissuration de l'extrudat (pas de chaleur par frottement)
• Doublure du conteneur plus durable (moins d'usure)
• Billette utilisée plus uniformément : moins de défauts et de grains grossiers

Inconvénients de l'extrusion indirecte :

• Défauts et impuretés de surface de la billette affectent la surface de l'extrudat
• Moins polyvalente que l'extrusion directe (section transversale limitée)

Extrusion hydrostatique :

Utilise un fluide pour appliquer la pression sur la billette. Frottement éliminé car la billette n'est pas en contact avec la paroi du cylindre ni le poinçon. Fluide entre billette et poinçon ; le poinçon applique la force sur le fluide qui la transmet à la billette. Huiles végétales généralement utilisées. Problèmes : fuites et vitesse d'extrusion non contrôlée. Peut se faire à chaud, tiède ou froid, mais température limitée par la stabilité du fluide. Nécessite un cylindre étanche contenant le fluide hydrostatique.

Le fluide peut être pressurisé de deux façons : extrusion à débit constant (bélier/poinçon pressurise le fluide dans le conteneur) ou extrusion à pression constante (pompe, éventuellement avec intensificateur de pression, pressurise le fluide puis l'envoie au conteneur).

Avantages de l'extrusion hydrostatique :

• Force requise réduite (pas de frottement conteneur-billette)
• Vitesses plus élevées, taux de réduction plus forts, températures de billette plus basses
• Ductilité du matériau augmentée sous hautes pressions
• Aucun résidu de billette sur les parois du conteneur
• Grosses billettes et grandes sections transversales extrudables

Inconvénients de l'extrusion hydrostatique :

• Billettes à préparer en effilant une extrémité pour correspondre à l'angle d'entrée de la filière (joint d'étanchéité initial)
• Billette entière à usiner pour éliminer tout défaut de surface
• Fluide sous haute pression difficile à obtenir
• Restes de billette ou bouchon de matériau plus dur doivent rester en fin d'extrusion pour éviter la libération brutale du fluide d'extrusion

Selon la température de travail

Extrusion à chaud : au-dessus de la température de recristallisation (généralement 50–60 % de la température de fusion). Force faible, travail facile, produit exempt d'écrouissage. Maintenance élevée requise.

Extrusion à froid : à température ambiante ou en dessous de la température de recristallisation. Offre hautes propriétés mécaniques, haute finition de surface, pas d'oxydation surface métal. Mais force élevée requise, produit avec écrouissage.

Principe de fonctionnement de l'extrusion

Le fonctionnement est simple à comprendre. Avec les explications sur les types d'extrusion, vous connaissez les variations. Dans la méthode conventionnelle, un piston ou poinçon applique une force de compression sur la pièce. En extrusion à chaud, la billette est chauffée ou maintenue à température ambiante en extrusion à froid. Elle est placée dans une presse d'extrusion, type dispositif piston-cylindre : le métal dans le cylindre est poussé par un piston. La partie supérieure du cylindre est équipée de la filière.

Ce poinçon fixé à la presse pousse la billette vers la filière qui porte la forme de l'objet désiré. La forte force de compression permet au matériau de s'écouler à travers la filière et de prendre sa forme. La pièce est retirée de la presse, l'opération est terminée.

Regardez la vidéo ci-dessous pour en savoir plus sur le fonctionnement de l'extrusion :

Avantages et inconvénients de l'extrusion

Avantages :

• Hautes propriétés mécaniques atteignables par extrusion à froid
• Sections transversales complexes facilement créées
• Matériaux fragiles et ductiles travaillables
• Rapport d'extrusion élevé

Inconvénients :

• Coût initial ou d'installation élevé
• Force de compression élevée requise

Conclusion

L'extrusion est l'un des procédés les plus courants en production. Elle utilise une grande variété de matériaux : métaux, plastiques, céramiques, etc. Réalisée à chaud ou à froid pour de meilleures propriétés. C'est un procédé de moulage par mise en forme forçant le matériau de base à travers une filière préformée pour créer des objets à forme et profil spécifiques. Cet article a couvert la définition, applications, fonction, processus, matériaux, équipements, types, principe de fonctionnement, avantages et inconvénients de l'extrusion.

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