Procédés de formage de l’aluminium dans l’industrie automobile : emboutissage à chaud, emboutissage profond hydromécanique, Gigacasting

Estampage à chaud des alliages d'aluminium

Les pénuries d'énergie et la dégradation de l'environnement entraînent des changements majeurs dans l'industrie automobile. Des études indiquent qu'une réduction de 10% de la masse totale d'un véhicule peut améliorer le rendement énergétique de 6% à 8% et réduire les émissions de 4%. L'allègement des véhicules est donc devenu un thème de recherche majeur aux États-Unis, en Allemagne, au Japon et dans d'autres pays producteurs d'automobiles. Les trois principales approches sont les matériaux légers à haute résistance, l'optimisation structurelle et les procédés de formage avancés.

Les alliages d'aluminium sont des matériaux légers bien établis dans les applications aérospatiales. Avec la baisse du coût des matériaux, leurs avantages en termes de réduction de poids en ont fait l'un des matériaux légers connaissant la croissance la plus rapide dans les véhicules à combustion de milieu et haut de gamme ainsi que dans les véhicules électriques à énergie nouvelle. L'aluminium peut être formé à froid ou à chaud. À température ambiante, il présente une faible ductilité et une faible formabilité, un retour élastique difficile à contrôler et une précision dimensionnelle aléatoire. À des températures élevées, généralement comprises entre 200 et 450 °C, la formabilité des tôles s'améliore avec la température, ce qui facilite la production de panneaux de carrosserie automobile. Les panneaux complexes, à haute résistance et de grande précision, font donc souvent l'objet d'un formage à chaud.

L'emboutissage à chaud est devenu un domaine de recherche majeur, tant dans le milieu universitaire qu'industriel. Les composants en aluminium emboutis à chaud ont remplacé certaines pièces conventionnelles en acier au niveau des montants A, des montants B, des capots et d'autres emplacements critiques de la carrosserie. Austria Metall AG a fabriqué la poutre de protection de la BMW i8 à partir d’aluminium AA7075 par emboutissage à chaud. Le Land Rover L405 a utilisé de l’aluminium de la série 6xxx et l’emboutissage à chaud pour produire ce qui était, en 2015, le plus grand panneau latéral de carrosserie monobloc. Aston Martin a utilisé la solution intégrée combinant traitement thermique, formage et trempe à froid (HFQ) pour fabriquer le renfort complexe du montant A de la DB11. Morgan a appliqué le procédé HFQ au premier capot formé par cette méthode pour son modèle Aero 8. Des chercheurs de l’Université de technologie de Wuhan ont soumis à un formage à chaud des flans soudés sur mesure par friction-agitation afin de produire un montant B automobile présentant une grande précision dimensionnelle et de bonnes propriétés mécaniques.

Emboutissage profond hydromécanique

L'emboutissage hydromécanique est un procédé de formage de tôles récemment mis au point, dans lequel un liquide sous haute pression remplace une matrice rigide. La pression du liquide repousse la tôle contre le poinçon pour former la pièce. Ce procédé convient aux pièces complexes et aux matériaux à faible ductilité, tels que les alliages d'aluminium, et offre une limite de formage élevée, une bonne qualité de surface et une grande précision dimensionnelle.

Un système type comprend un poinçon, une matrice, un serre-tôle, une chambre hydraulique et une soupape de décharge hydraulique. La chambre est remplie de liquide, la tôle est positionnée et le serre-tôle la maintient contre la matrice. Lorsque le poinçon enfonce la tôle dans la chambre, la pression régulée par la soupape de décharge maintient la tôle fermement contre le poinçon. Une force de retenue par frottement bénéfique s'établit entre la tôle et le poinçon, tandis que la lubrification par fluide entre la tôle et la matrice réduit le frottement et améliore la qualité de surface ainsi que la limite de formage.

La figure suivante compare l'emboutissage profond classique et l'emboutissage profond hydromécanique.

[EMPLACEMENT DE L'IMAGE : Comparaison entre l'emboutissage profond classique et l'emboutissage profond hydromécanique]

1. Réduction du coût des matrices et raccourcissement du cycle de production. Un fluide sous haute pression remplace soit le poinçon, soit la matrice, ce qui permet de n'utiliser qu'un seul outil rigide.
2. Une grande précision dimensionnelle et une bonne qualité de surface. La lubrification par fluide entre la bride et la matrice réduit considérablement les rayures lors du formage.
3. Limite de formage supérieure. La retenue par frottement, la lubrification par débordement et le bombement initial en sens inverse réduisent la formation de fissures au niveau du rayon du poinçon et le plissement dans les zones non soutenues. Le taux d'emboutissage augmente, le nombre d'étapes de formage nécessaires diminue et les coûts baissent.
4. Convient aux pièces complexes. Les pièces complexes sur le plan structurel ou géométrique peuvent être usinées en une seule opération, ce qui permet de gagner du temps et d'optimiser l'utilisation de la matière.
5. Une épaisseur plus homogène. La rétention par frottement bénéfique réduit les contraintes de traction radiales, favorise un écoulement uniforme de la coulée, limite l'amincissement et la concentration des contraintes, et améliore l'uniformité de l'épaisseur de la paroi.
6. Économies sur les matériaux et les coûts de fabrication. Ce procédé permet de réduire la consommation de matière et les coûts d'usinage.

Moulage sous pression intégré

Depuis 2020, Tesla utilise le moulage sous pression intégré pour regrouper plus de 70 pièces de la partie arrière de la carrosserie en une seule pièce moulée, remettant ainsi en question les procédés traditionnels d’emboutissage et de soudage et transformant la fabrication de la carrosserie. Le moulage sous pression offre une productivité élevée, une grande précision dimensionnelle, d’excellentes performances mécaniques, une optimisation de l’utilisation des matériaux et une rentabilité avantageuse dans le cadre de la production en série. Une pièce moulée d’un seul tenant élimine la séquence complexe d’emboutissage et de soudage, réduit les besoins en outillage et les contrôles de processus pièce par pièce, et évite l’accumulation d’erreurs d’assemblage. Comme le composant est constitué d’un seul matériau, les rebuts peuvent être refondus directement pour fabriquer d’autres produits.

Le Model Y a été le premier véhicule de Tesla à utiliser ce procédé, la partie inférieure de son train arrière étant fabriquée sous forme de pièce moulée monobloc. Par rapport au Model 3, le Model Y a permis de réduire le nombre de pièces de 79, de faire passer le nombre de points de soudure de 700-800 à 50, et de ramener le temps de fabrication de 1 à 2 heures à 3 à 5 minutes.