Sous pression : comment sont fabriquées les extrusions d'aluminium

À tout moment, je suis susceptible d'avoir plusieurs projets en cours, j'entends par là bien sûr à différents stades de négligence. Mon grand projet actuel est celui où j'ai enfin l'impression d'avoir la chance d'utiliser des matériaux avec une véritable crédibilité de hacker, comme les profilés en aluminium extrudé à rainure en T. Nous avons tous vu ce genre de choses, le « Industrial Erector Set », comme 80/20 aime appeler sa version. Et nous avons tous vu les projets sympas réalisés avec, des machines CNC aux présentoirs de salons professionnels, et en ces temps de pandémie, même occasionnellement comme protections contre les éternuements dans les magasins de détail.

Les profilés à rainure en T en aluminium sont merveilleux à utiliser : solides, légers, faciles à connecter avec une large gamme de fixations et configurables et reconfigurables à l'infini en fonction de l'évolution des besoins. Ce n'est en aucun cas bon marché, mais si l'on prend en compte le temps de fabrication économisé, cela pourrait bien être un avantage net de spécifier les éléments d'un projet. Pourtant, avec le succès projeté sur mon portefeuille, je cherchais des alternatives plus abordables.

Mon exploration m’a conduit dans le monde incroyablement riche des extrusions d’aluminium. Même en excluant les articles banals comme les canettes de bière et de soda, vous êtes probablement actuellement entouré de produits en aluminium extrudé. Tout, des dissipateurs thermiques des ordinateurs aux cadres de fenêtres en passant par les pièces qui composent les portes moustiquaires, est fabriqué en aluminium extrudé. Alors, comment est fabriqué exactement ce truc omniprésent ?

Le processus de base de l’extrusion de l’aluminium est, en apparence, aussi simple à comprendre que le processus d’extrusion utilisé par une imprimante 3D : chauffer le matériau et le forcer à travers une matrice ayant la forme et la taille souhaitées. Mais lorsque le PLA est remplacé par une bûche géante en aluminium, et un câble Bowden et un moteur pas à pas par un énorme vérin hydraulique, les détails obscurcissent rapidement la simplicité du concept sous-jacent.

La conception des matrices est peut-être la partie la plus critique du processus d’extrusion. Les matrices doivent résister à des forces énormes à des températures élevées et doivent tout en conservant leur stabilité dimensionnelle. Les matrices d'extrusion commencent leur vie sous forme de barres rondes en acier à outils atteignant un mètre ou plus de diamètre, mais généralement autour de 30 cm. Les matrices ont généralement un profil assez mince par rapport à leur diamètre, car plus le chemin emprunté par l'aluminium lors de son passage à travers la matrice est long, plus la friction qu'il subit est importante. Plus de friction signifie plus de force, ce qui signifie des presses plus grosses, plus d'usure sur les matrices et des coûts généralement plus élevés.

Les matrices sont généralement créées par des fabricants spécialisés qui emploient des ingénieurs et des machinistes qualifiés en matière de conception de matrices. Le processus de transformation d'une conception en matrice commence généralement par l'ébauche de l'ébauche sur un tour CNC, puis passe à une séquence d'opérations de fraisage CNC. L'usinage par électroérosion (EDM) est largement utilisé pour obtenir les détails fins nécessaires à une finition lisse et pour obtenir la géométrie précise nécessaire au contrôle du flux de l'aluminium à travers la matrice.

La plupart des extrusions auront une ou plusieurs chambres creuses, comme la lumière d'un tuyau ou, dans le cas de nos profilés 80/20, l'espace négatif des rainures en T et de l'alésage central. La matrice doit créer ces caractéristiques qui nécessitent que certaines parties de la matrice « flottent » dans le flux entrant de métal ramolli. Les ajusteurs y parviennent en suspendant ces éléments sur des bras qui comblent l'espace dans la partie amont de la matrice. La forme et la finition de surface de ces bras doivent être soigneusement conçues afin que le métal circule autour d'eux et se réunisse pour créer un flux de matériau lisse et continu, sans vides, ce qui pourrait entraîner une faiblesse du produit fini.

Un examen attentif des forces hydrodynamiques exercées par et sur le métal en écoulement est également important pour la conception des matrices. Alors que le côté sortie de la filière a à peu près exactement la taille et la forme de l’extrusion finie, le côté entrée est tout le contraire. Selon certaines estimations, la moitié de l’énergie utilisée lors de l’extrusion de l’aluminium sert à surmonter la friction entre le métal et la matrice, donc tout ce qui peut être fait pour réduire ces forces équivaut à de l’argent en banque. L'entrée de la matrice doit être conçue pour diriger le métal entrant aussi doucement et facilement que possible dans la forme finale, ce qui explique en partie la raison pour laquelle les concepteurs de matrices incluent des angles de dépouille très généreux sur la largeur de la matrice.