Aluminium moulé, forgé ou en tôle : quelles sont les différences ?

Les alliages d'aluminium allient une résistance spécifique élevée, une excellente résistance à la corrosion et une bonne aptitude à la mise en œuvre. Ils constituent le deuxième matériau le plus utilisé dans l'industrie automobile, après l'acier. À mesure que les exigences en matière d'allègement des véhicules se renforcent, l'utilisation de l'aluminium ne cesse de croître. Les composants automobiles font de plus en plus appel à des alliages d'aluminium moulés, forgés et à des tôles d'aluminium.

Les alliages d'aluminium moulés sont couramment utilisés pour la fabrication de supports et de carters, notamment les carters de boîte de vitesses, les blocs-moteurs et les culasses, ainsi que les supports de fusée de direction. Les procédés de fabrication comprennent le moulage sous vide, le moulage sous pression avec purge à l'oxygène et le moulage par compression.

Alliages d'aluminium moulés

Dans le moulage sous haute pression sous vide, la cavité métallique est mise sous vide avant le remplissage, ce qui empêche théoriquement les gaz de se mélanger au métal en fusion. Les pièces moulées ainsi obtenues présentent une faible teneur en gaz, une densité élevée et des propriétés mécaniques nettement améliorées. Pour permettre le traitement thermique et le soudage ultérieurs, la pression de vide effective dans la cavité du moule doit être inférieure à 5 kPa. La figure suivante compare les pièces moulées sous vide poussé et celles moulées sous vide conventionnel.

Le moulage sous pression avec injection d'oxygène permet également de réduire la porosité. La cavité est d'abord remplie d'oxygène. Lorsque l'aluminium fondu pénètre dans la cavité, il réagit avec l'oxygène pour former des particules d'alumine réparties de manière homogène. Ces particules, dont la taille est inférieure à 1 μm, ne représentent que 0,1% à 0,2% du poids total ; elles n'ont donc pratiquement aucun effet sur les étapes de transformation ultérieures. Le schéma suivant illustre ce principe.

Dans le moulage par compression, le métal en fusion est coulé directement dans un moule ouvert. Le moule est ensuite fermé et une pression statique est appliquée, ce qui entraîne un formage rhéologique, une solidification à haute pression et une légère déformation plastique, permettant ainsi d’obtenir une pièce métallique de haute qualité. Ce procédé se divise principalement en deux catégories : le moulage par compression direct et le moulage par compression indirect. Dans le moulage par compression direct, la pression s'exerce directement sur le métal en fusion, produisant un effet de solidification à haute pression marqué ; ce procédé convient généralement aux pièces moulées de forme simple. Dans le moulage par compression indirect, la pression du poinçon est transmise à la pièce moulée via le manchon de projection et le biscuit. La pression appliquée est limitée et le procédé est relativement lent, ce qui le rend adapté à la production en grande série de pièces complexes. La figure suivante compare les deux procédés.

Alliages d'aluminium forgés

Les alliages d'aluminium forgés sont généralement utilisés pour les pièces qui exigent de bonnes performances mécaniques, notamment les composants critiques du châssis tels que les bras de suspension et les fusées de direction. Les méthodes de forgeage actuelles comprennent le forgeage à matrice liquide, le forgeage à matrice semi-solide, le forgeage isotherme et le forgeage de poudre.

Le moulage sous pression à l'état liquide est souvent utilisé pour fabriquer des jantes monoblocs. Les produits finis présentent de bonnes propriétés mécaniques et une bonne qualité de surface, mais le coût élevé des équipements et la complexité du procédé entraînent des coûts de fabrication élevés.

Le forgeage sous matrice à l'état semi-solide s'apparente au forgeage sous matrice à l'état liquide. Une billette est chauffée jusqu'à atteindre un état semi-solide, injectée rapidement dans la matrice, puis soumise à une pression statique afin que l'écoulement du métal à l'état liquide et la déformation plastique permettent de former la pièce. Par rapport au forgeage sous matrice à l'état liquide, ce procédé utilise une température de formage plus basse et entraîne un retrait volumétrique moindre. Les risques de cavités de retrait et d'effondrement sont réduits, la durée de vie de la matrice est prolongée, l'entraînement de gaz est limité et la qualité de la pièce finie est considérablement améliorée.

Dans le forgeage isotherme, une billette chauffée est placée dans une matrice à température contrôlée et forgée lentement à température constante. La température constante et la faible vitesse de forgeage permettent une recristallisation dynamique plus complète, une microstructure plus homogène et une ductilité améliorée. Un procédé avancé récemment étudié pour l'alliage d'aluminium 6082 combine le forgeage semi-solide et le forgeage isotherme : la billette est préforgeée à la température de traitement de mise en solution, prévieillie, puis finalement forgée de manière isotherme à 200 °C. Ce procédé a permis d’obtenir des pièces acceptables présentant une dureté et une résistance accrues grâce à un renforcement par précipitation et par dislocation.

Tôle d'aluminium

Après 2012, le renforcement des réglementations en matière de protection des piétons en Europe et en Amérique du Nord a favorisé l'utilisation à grande échelle de tôles d'aluminium pour les panneaux extérieurs des véhicules. En 2020, l’aluminium représentait 75% des applications de capots en Amérique du Nord, tandis que sa part dans les portes, les coffres et les toits dépassait 25%. Certains modèles Audi, Jaguar, Ford et Tesla utilisent principalement des structures de carrosserie en aluminium. Outre l'emboutissage et l'étirage classiques, le formage à chaud des tôles d'aluminium a considérablement progressé et constitue désormais une technologie de formage haute performance majeure.

Le formage à chaud a été mis au point pour pallier la faible ductilité et la difficulté de déformation des alliages d’aluminium à haute résistance. L’estampage à chaud en est la principale méthode. Une étude récente a associé un réseau neuronal à rétropropagation à un algorithme génétique multi-objectifs afin d’optimiser des variables clés telles que la température de la flan, la vitesse d’estampage et le jeu de la matrice. Les composants ainsi obtenus présentaient des résistances à la traction comprises entre 300 et 320 MPa, ce qui correspond à la résistance à la rupture de l'alliage d'aluminium 6061-T6. Les paramètres optimisés ont permis de produire des pièces offrant des performances satisfaisantes, de bonnes propriétés mécaniques et une grande précision de formage.

Le formage à froid des tôles d'aluminium est principalement utilisé pour la fabrication des panneaux de carrosserie automobile. En raison de leur géométrie complexe, de leur faible épaisseur relative et des exigences élevées en matière de qualité de surface, certains panneaux sont sujets à la formation de plis, de fissures et au retour élastique. Au cours du frappe à froid, les chercheurs ont étudié l'influence des paramètres de processus sur l'amincissement et le retour élastique, puis ont compensé la surface de la matrice et ajusté les paramètres. Ces mesures ont permis de limiter efficacement le retour élastique, la formation de plis et les fissures.