Fiche de révision : Procédés de fabrication mécanique

📋 Plan du Cours

1. Conception et fabrication mécanique
2. Procédés de moulage
3. Injection des matières plastiques
4. Frittage des poudres
5. Assemblage des matériaux composites
6. Matrices et moulage des composites
7. Fabrication additive et impression 3D
8. Forgeage et déformation des métaux
9. Découpage, pliage et emboutissage
10. Procédés et contraintes de soudage
11. Électroérosion et usinage grande vitesse
12. Usinage à grande vitesse
13. Analyse des états de surface
14. Paramètres et fonctions de rugosité
15. Procédés d’amélioration des surfaces
16. Traitements thermiques et dépôts

📖 1. Conception et fabrication mécanique

🔑 Notions clés & Définitions

• Démarche PPM : Recherche un compromis entre le cahier des charges du produit, les caractéristiques du matériau et celles du procédé, afin d’obtenir les meilleures performances à un coût de développement, de fabrication et d’utilisation aussi bas que possible.
• Gamme de fabrication : Document technique qui décrit les opérations nécessaires pour passer de la matière brute ou commerciale à la pièce finie, avec sa géométrie et ses traitements thermiques.

★ À maîtriser

• Le cycle de vie d’un produit comprend les étapes suivantes :
  • l’identification du besoin
  • l’analyse du besoin
  • la faisabilité
  • la conception
  • l’industrialisation
  • la production
  • la commercialisation
  • l’utilisation
  • le suivi
  • le recyclage

📌 Les procédés primaires transforment la matière naturelle en brut, tandis que les procédés secondaires améliorent la forme, l’état de surface ou les caractéristiques mécaniques de la pièce brute.

Compléments

• Le choix d’un matériau repose sur sa combinaison de caractéristiques mécaniques adaptée à l’usage, sa facilité de mise en forme ou d’assemblage et son coût acceptable.

💡 Astuce mémo

Besoin → conception → production → usage → recyclage

📖 2. Procédés de moulage

★ À maîtriser

• Le moulage consiste à remplir un moule de matériau en fusion, puis à récupérer la pièce brute après solidification ; un moule non permanent doit être détruit pour extraire la pièce.

• Dans le moulage au sable, le moule à usage unique est constitué de grains de silice liés par de l’argile et de l’eau, et le sable est recyclé après décochage.

📌 Les dépouilles facilitent l’extraction du modèle du sable, tandis que les contre-dépouilles peuvent le retenir et nécessitent des noyaux lorsqu’elles sont indispensables à la pièce.

• Dans un moule au sable, les évents évacuent les gaz, les noyaux réalisent les formes en contre-dépouille, et les masselottes orientent la solidification tout en alimentant la pièce en métal fondu pendant son refroidissement.

• Le retrait de solidification impose d’augmenter les dimensions de l’empreinte de 3 à 6 % pour les fontes, de 5 à 7 % pour les aciers, de 4 à 7 % pour les alliages légers et de 5 à 6 % pour les bronzes.

Compléments

📌 La coulée en chute réduit la mise au mille mais crée de fortes turbulences, tandis que la coulée en source assure un approvisionnement plus doux au prix de davantage de canaux.

💡 Astuce mémo

Le sable se casse ; la coquille métallique se réutilise

📖 3. Injection des matières plastiques

★ À maîtriser

• Une presse à injecter assure la plastification de la matière, son injection dans le moule et la fermeture-verrouillage du moule.

• Dans une presse à vis-piston, la vis chauffe, fond et homogénéise les granulés en les transportant depuis la trémie, puis recule pour doser la matière plastifiée avant d’être poussée par un vérin pour l’injecter dans le moule.

📌 Le système de fermeture doit ouvrir, fermer et verrouiller le moule avec une force suffisante pour empêcher son ouverture pendant l’injection.

Compléments

• Un moule d’injection plastique peut comporter 1, 2, 4, 8, 16 ou 32 empreintes, et son nombre d’empreintes résulte d’impératifs techniques et financiers.

• Les canaux d’alimentation répartissent la matière entre les empreintes et équilibrent leur remplissage, tandis que les seuils sont choisis selon les pièces et les cadences de production.

• Pour faciliter le démoulage des pièces injectées, des dépouilles de 1 à 3° sont prévues sur les parties intérieures.

💡 Astuce mémo

La vis plastifie et dose, puis le vérin injecte

📖 4. Frittage des poudres

★ À maîtriser

• Le frittage consiste à comprimer une poudre, généralement métallique, dans un moule puis à la chauffer sous vide ou atmosphère contrôlée à une température inférieure à la température de fusion du constituant principal.

• Le frittage permet de produire à faible coût de grandes séries de pièces complexes et précises, parfois utilisables à l’état brut, et autorise l’obtention de pseudoalliages.

📌 La porosité naturelle des pièces frittées permet de fabriquer des filtres et des coussinets autolubrifiants, mais peut nuire à l’étanchéité.

Compléments

• La compression peut rendre les pièces frittées non homogènes, avec une porosité plus élevée au milieu et des propriétés de résistance mécanique faibles pour les métaux frittés.

📖 5. Assemblage des matériaux composites

🔑 Notions clés & Définitions

• Matériau composite : Associe deux matériaux de propriétés mécaniques différentes : le renfort, qui apporte généralement la résistance mécanique, et la matrice, qui lie les fibres du renfort.

★ À maîtriser

📌 Les thermoplastiques sont mis en forme en les ramollissant par chauffage puis en les solidifiant par refroidissement, tandis que les thermodurcissables se solidifient par polymérisation après ajout d’un durcisseur.

Compléments

• Les fibres de verre sont classées en trois types :

  • E, pour les composites de grande diffusion et les applications courantes
  • R, pour les composites hautes performances
  • D, pour la fabrication de circuits imprimés

• Les fibres de carbone haute résistance (HR) sont obtenues par combustion de 1000 à 1500 °C, tandis que les fibres haut module (HM) sont obtenues entre 1800 et 2000 °C.

• Le moulage par injection basse pression de résine (RTM) utilise une résine injectée à faible pression, de 1,5 à 4 bars, à travers le renfort placé entre deux parties rigides du moule.

💡 Astuce mémo

Le renfort arme ; la matrice lie

📖 6. Matrices et moulage des composites

★ À maîtriser

📌 Une matrice thermoplastique, solide sous forme de granulés ou de plaques, est mise en forme par chauffage puis solidification au refroidissement, tandis qu’une matrice thermodurcissable, liquide visqueuse, se solidifie par polymérisation après ajout d’un durcisseur.

• Le moulage au contact est un procédé manuel à température ambiante et sans pression : les renforts sont déposés sur le moule, imprégnés de résine liquide accélérée et catalysée, puis mis en forme avec des ébulleurs et des pinceaux.

• En moulage sous vide, le renfort est placé dans le moule, la résine catalysée est versée dessus, puis la pression exercée lors de la mise sous vide répartit la résine et imprègne le renfort entre le moule et son contre-moule.

• En moulage RTM, un renfort est placé entre deux moules rigides fermés, puis une résine accélérée et catalysée est injectée à faible pression, de 1,5 à 4 bars, jusqu’au remplissage complet de l’empreinte ; après durcissement, la pièce est démoulée.

Compléments

• Les fibres d’aramide, aussi appelées Kevlar, sont issues de la chimie des polyamides aromatiques et existent en versions basse et haute module.

• Les fibres d’aramide basse module sont utilisées pour les câbles et les gilets pare-balles, tandis que les fibres haute module renforcent les composites hautes performances.

💡 Astuce mémo

Thermoplastique : ramollir puis refroidir ; thermodurcissable : polymériser avec un durcisseur.

📖 7. Fabrication additive et impression 3D

🔑 Notions clés & Définitions

• Fabrication additive : Réalisation de pièces en volume par ajout ou agglomération de matière ; « impression 3D » est son appellation grand public.

★ À maîtriser

• 🔄 La fabrication par impression 3D suit ces étapes :
  1. Dessiner l’objet en CAO.
  2. Découper le fichier en couches avec un logiciel spécifique.
  3. Déposer ou solidifier la matière couche par couche jusqu’à obtenir la pièce.

📌 La fabrication additive permet des formes complexes, des délais courts sans frais fixes d’outillage et une réduction de matière, mais chaque imprimante est conçue pour un seul type de matériau et la pièce exige une conception adaptée au procédé.

📌 La conception d’une pièce imprimée doit limiter les supports, dont l’orientation et la conception peuvent éviter l’usage et réduire le temps d’impression jusqu’à le diviser par deux ainsi que le volume de matière utilisé.

Compléments

• La démocratisation de l’impression 3D commence au début des années 2000 avec l’usage de résine chauffée pour le prototypage rapide ; dans les années 2010, de nouveaux matériaux et procédés permettent notamment la production de petites séries.

• Les imprimantes 3D déplacent généralement leurs buses selon trois translations, X, Y et Z, et certains modèles ajoutent deux rotations, A et B ; leur commande d’axes est similaire à celle des machines-outils à commande numérique.

💡 Astuce mémo

Un objet prend forme par empilement de couches fines, comme une pile de tranches.

📖 8. Forgeage et déformation des métaux

🔑 Notions clés & Définitions

• Écrouissage : Augmentation de la résistance élastique d’un matériau sous l’effet de contraintes et de déformations plastiques.

★ À maîtriser

📐 Formule - La résistance élastique est définie par $R_e = \frac{F_1}{S_0}$, la résistance mécanique par $R_m = \frac{F_{\max}}{S_0}$ et le module de Young par $E = \frac{F_1}{\Delta l(F_1)}$.

• Lors d’une déformation plastique, la limite élastique est dépassée et la déformation devient permanente ; après décharge, le matériau ne retrouve pas sa taille initiale.

• Le laminage étire un produit métallique en le faisant passer entre des rouleaux ; il peut être réalisé à chaud ou à froid selon le matériau et le taux de déformation recherché.

📌 Lors de l’étirage, la matière est tirée à la sortie de la filière, tandis que lors de l’extrusion, elle est poussée à travers la filière par un vérin ou des rouleaux.

Compléments

• Le laminage allonge les grains dans sa direction, créant une anisotropie mécanique, et provoque un écrouissage qui durcit le matériau.

📖 9. Découpage, pliage et emboutissage

★ À maîtriser

• Une tôle emboutie est formée avec une matrice, un poinçon et un serre-flan qui coince la tôle pendant la descente du poinçon ; des joncs peuvent freiner son glissement.

📌 En emboutissage, une descente excessive du poinçon fissure et déchire la tôle ; si la découpe est volontaire, le procédé est un poinçonnage plutôt qu’un emboutissage.

• Les opérations de découpe se distinguent ainsi :
  • Le cisaillage coupe des tronçons de tôle ou de profilé.
  • Le découpage cisaille une tôle suivant un contour fermé.
  • Le poinçonnage réalise une ouverture avec un poinçon.
  • Le grignotage découpe par poinçonnages répétés et superposés.

Compléments

📌 Le découpage par jet d’eau ne repose pas sur la fusion du matériau et ne provoque donc pas de déformation thermique, contrairement aux procédés laser, plasma et oxycoupage.

• Au pliage, la fibre neutre ne subit pas de contrainte, les fibres entre cette fibre et le poinçon sont comprimées et celles entre la fibre neutre et le vé sont étirées.

📌 Le pliage en frappe réduit le retour élastique en faisant descendre le poinçon jusqu’en butée et en maintenant une pression durant quelques secondes.

💡 Astuce mémo

L’emboutissage forme la tôle ; le poinçonnage la découpe.

📖 10. Procédés et contraintes de soudage

★ À maîtriser

• Le soudage par arc électrique fait fondre les contours des pièces assemblées et éventuellement un métal d’apport ; le bain de fusion refroidit pour former le cordon de soudure.

📌 Le brasage utilise un métal d’apport dont la température de fusion est inférieure à celle des pièces, qui ne fondent pas ; le soudage classique fait fondre les pièces et crée une continuité cristallographique avec le cordon.

• L’enrobage assure trois rôles :
  • Un rôle électrique, en ionisant.
  • Un rôle métallurgique.
  • Un rôle mécanique.

📌 En MIG, le gaz de protection est inerte, généralement l’argon, et le procédé convient notamment à l’aluminium et à ses alliages ; en MAG, le gaz est actif, notamment le CO₂, et le procédé est utilisé pour les aciers.

Compléments

• Le TIG utilise une électrode en tungstène et un métal d’apport indépendant de la torche, permet le soudage avec ou sans apport et convient particulièrement aux faibles épaisseurs ; son rendement énergétique d’arc est de 40 %.

• En soudage laser, le faisceau mesure de 0,2 mm à 13 mm de diamètre ; le procédé est utilisé à grande cadence dans l’industrie automobile et sa faible zone affectée thermiquement permet notamment de souder des composants électroniques sans les détériorer.

💡 Astuce mémo

Soudage : fusion des pièces ; brasage : fusion du métal d’apport sans fusion des pièces.

📖 11. Électroérosion et usinage grande vitesse

🔑 Notions clés & Définitions

• Électroérosion : Procédé d’usinage qui enlève de la matière par décharges électriques et permet d’usiner tous les matériaux conducteurs, quelle que soit leur dureté.
• Usinage grande vitesse : Caractérisé par des conditions de coupe quatre à dix fois plus élevées qu’en usinage conventionnel.

★ À maîtriser

• En UGV, environ 80 % de la chaleur du cisaillement est évacuée par le copeau, contre 40 % en usinage conventionnel.

Compléments

• Les deux procédés d’électroérosion sont l’enfonçage et l’électroérosion à fil.

• L’UGV améliore la productivité, l’état de surface et la précision, réduit l’échauffement de la pièce et peut permettre l’usinage à sec, de parois minces et d’aciers traités thermiquement.

• L’UGV peut provoquer des instabilités dynamiques, notamment du broutement et des vibrations, en raison des fréquences de rotation élevées des outils.

💡 Astuce mémo

Vitesse de coupe accrue → chaleur évacuée par le copeau et productivité améliorée.

📖 12. Usinage à grande vitesse

★ À maîtriser

• En UGV, environ 80 % de la chaleur de coupe est évacuée par le copeau, contre 40 % en usinage conventionnel, car la chaleur n’a pas le temps de se propager dans la pièce et l’outil.

• L’UGV augmente la productivité et la vitesse d’avance, améliore l’état de surface et la précision, préserve l’intégrité de la matière, peut permettre l’usinage à sec et facilite l’usinage de voiles minces et d’aciers traités thermiquement.

• Les hautes fréquences de rotation des outils en UGV provoquent régulièrement des instabilités dynamiques, notamment du broutement et des vibrations.

Compléments

• Lorsque la vitesse de coupe augmente, l’énergie spécifique de coupe diminue ; elle correspond à la puissance électrique consommée par la machine divisée par le débit de copeaux.

• Les machines d’UGV nécessitent notamment une structure plus rigide, des broches tournant à 20 000 tr/min ou plus, des cônes HSK, une commande adaptée aux avances élevées, des outils spécifiques et un équilibrage attentif de l’ensemble outil-porte-outil.

💡 Astuce mémo

Vitesse accrue → chaleur évacuée par le copeau et avance augmentée

📖 13. Analyse des états de surface

★ À maîtriser

• Le rugosimètre mesure le profil de surface dans une seule direction, généralement celle de l’avance de l’outil et perpendiculaire au sillon laissé par celui-ci.

• Les ordres de défauts de surface sont :

  • premier ordre : écarts de forme
  • deuxième ordre : ondulation
  • troisième ordre : stries et sillons
  • quatrième ordre : arrachements et fentes

Compléments

• Le rugosimètre utilise un palpeur de 4 à 10 μm de diamètre dont le mouvement vertical est converti en courant électrique par un capteur piézoélectrique.

• Les écarts de forme du premier ordre sont mesurés par une machine à mesurer tridimensionnelle avec un palpeur de rayon usuel de 2 mm.

💡 Astuce mémo

Forme et ondulation décrivent le profil global ; stries et sillons relèvent de la rugosité

📖 14. Paramètres et fonctions de rugosité

🔑 Notions clés & Définitions

• Écart total Rt : La distance entre le sommet du pic le plus haut et le fond du creux le plus bas du profil.
• Régularité Rz : La moyenne des écarts totaux Rt mesurés sur cinq longueurs.

★ À maîtriser

• Pour analyser un profil mesuré sur une longueur L, on détermine d’abord la ligne moyenne, qui comporte autant de saillies au-dessus que de creux en dessous.

📐 Formule - La rugosité arithmétique est la moyenne des valeurs absolues des écarts du profil à la ligne moyenne : $R_a = \frac{1}{L}\int_0^L |R(x)|\,dx$, où R(x) est l’écart du profil à la ligne moyenne à l’abscisse x.

Compléments

📌 La profondeur moyenne Rp mesure l’écart entre le sommet le plus haut d’un pic et la ligne moyenne, tandis que le creux moyen Rc mesure l’écart entre la ligne moyenne et le fond le plus bas d’un creux.

• Un seul paramètre ne suffit pas à décrire un profil, car un profil presque plat avec un pic et un creux importants peut avoir la même rugosité arithmétique qu’un profil sinusoïdal régulier.

📖 15. Procédés d’amélioration des surfaces

🔑 Notions clés & Définitions

• Rectification : Utilise une meule en rotation et la translation de la pièce pour enlever environ 0,02 mm de matière par frottement, sans mettre la pièce en forme ; améliore les caractéristiques géométriques de surfaces fonctionnelles, même dans les métaux très durs.
• Superfinition : Remplace l’action rapide d’une meule par une bande abrasive à mouvement rectiligne alternatif et faible vitesse ; enlève moins de 0,01 mm, peut atteindre Ra = 0,02 μm et doit généralement être précédée d’une rectification ou d’une finition suffisamment fine.
• Rodage : Une abrasion obtenue en faisant frotter deux pièces séparées par une pâte abrasive ; enlève moins de 0,01 mm, nécessite le plus souvent une rectification préalable et donne une rugosité Ra d’environ 0,04 à 0,02 μm.
• Galetage : Un procédé sans enlèvement de matière où un brunissoir ou des galets lissent la surface en comprimant les pics ; effectué après un autre procédé comme l’usinage ou la rectification, il peut atteindre Ra = 0,1 μm et écrouit la surface, augmentant sa résistance élastique.

★ À maîtriser

• Les valeurs de Ra selon la fonction sont :
  • 0,4 μm pour le frottement de glissement
  • 0,02 μm pour le frottement de roulement
  • 0,3 μm pour l’étanchéité dynamique
  • 0,1 μm pour l’étanchéité statique
  • 0,8 μm pour un ajustement fixe avec contrainte
  • 0,2 μm pour l’arête d’un outil coupant en carbure

Compléments

• Toute surface obtenue par enlèvement de copeaux présente une structure typique marquée par l’avance et la géométrie de l’arête de l’outil.

💡 Astuce mémo

Rectification, superfinition et rodage enlèvent de la matière ; le galetage la comprime

📖 16. Traitements thermiques et dépôts

★ À maîtriser

• Les traitements thermiques servent à modifier la microstructure des matériaux ou certaines de leurs caractéristiques mécaniques.

• La cémentation consiste à mettre la pièce en contact avec un matériau différent, puis à élever la température pour faire diffuser ses atomes dans la surface de la pièce et y déposer une couche de matière.

Compléments

• Les traitements de modification de la microstructure comprennent la trempe, le revenu, la trempe superficielle et les recuits, ces derniers pouvant viser la recristallisation, la globularisation ou l’homogénéisation.

• Les traitements par apport de composés chimiques comprennent :

  • la cémentation
  • la nitruration
  • le bleuissage
  • les dépôts PVD
  • les dépôts CVD
  • les dépôts électrochimiques