Guide sur la fabrication de pièces en métal

Le service d'usinage CNC de Protolabs dispose de cinq types d'aluminium en stock : 2024-T351, 5083-H111, 6082-T651, 7075-T651 et 7075-T7351.
Le numéro à 4 chiffres correspond au Système international de désignation des alliages : 2 000 utilisent le cuivre comme principal élément d'alliage, 5 000 le magnésium, 6 000 le magnésium et le silicium et 7 000 le zinc.
Le suffixe indique le traitement thermique appliqué à la matière. T indique un traitement thermique de mise en solution (ou trempé), H un traitement de durcissement sous tension (ou écroui). T6 indique un traitement thermiquement par mise en solution, puis un vieillissement artificiel pour minimiser les contraintes résiduelles, ce qui le rend plus cohérent et plus stable lorsqu'il est usiné.

L'aluminium 6082 est allié au magnésium et au manganèse et offre une limite d'élasticité de 250 MPa. Il est très résistant à la corrosion et peut être soudé avec l'équipement approprié, ce qui en fait un choix idéal pour les applications à faible fatigue telles que les composants structurels des machines, les corps de vannes hydrauliques, les pièces pour la marine et l'automobile, et presque toutes les applications nécessitant une matière robuste et légère.

L'aluminium 7075 est plus résistant. Plus dur et plus résistant que le 6082, il offre une limite d'élasticité supérieure à 500 MPa, soit le double de celle du 6082, mais son coût est plus élevé. Ses principaux éléments d'alliage sont le zinc, le magnésium et le cuivre. La plupart des avions modernes utilisent le 7075 dans les zones soumises à une charge de compression, par exemple les longerons des ailes. Il est très résistant et robuste. En fait, le seul domaine dans lequel le 6082 l'emporte est celui de la résistance à la corrosion et pour les pièces qui doivent être un peu plus flexibles que celles fabriquées en 7075. Les deux matières sont faciles à usiner, bien que le 7075 soit légèrement abrasif.

Le cuivre et ses alliages, comme le laiton, sont très polyvalents. Sauf dans des environnements riches en ammoniac et certains acides, ils sont extrêmement résistants aux intempéries et à la corrosion.

Protolabs Europe propose du laiton, tant Cz121 | C360 (de décolletage) que Cz112 | C464 (laiton naval).
Le Cz121 | C360 contient 36 % de zinc et 3 % de plomb et est le plus universel de tous les alliages de laiton. Comme l'étain, le plomb demeure insoluble dans la microstructure du laiton, mais il contribue à la lubrification, d'où le nom de « décolletage ».
Le Cz112 | C464 est parfaitement adapté aux applications navales. Il est également composé d'un tiers de zinc, mais un ajout important de seulement 1 % d'étain permet d'améliorer la résistance à la corrosion et d'obtenir une structure duplex plus dure et plus résistante.
Les alliages de cuivre sous forme de bronze et de laiton existent depuis longtemps, et des dizaines de grades sont disponibles, chacun présentant des différences subtiles et des utilisations distinctes. Le laiton plus tendre convient pour les rivets et les vis, le métal Muntz (également appelé métal jaune), inventé pour recouvrir le fond des bateaux, est aujourd'hui utilisé pour créer des architectures remarquables.

Pour un opérateur, le laiton est facile à usiner, la durée de vie des outils est exceptionnelle et les vitesses sont assez élevées. Cependant, le laiton est une matière solide, dont la résistance à la traction rivalise avec celle de l'acier doux.

Bien qu'il s'agisse de l'élément principal du laiton, le cuivre est très différent. L'usinabilité du cuivre pur est environ cinq fois moins bonne. Les copeaux ne se brisent pas, en raison de la nature malléable et filandreuse du cuivre. La matière s'échauffe très rapidement pendant la coupe, en raison de sa conductivité thermique élevée.

Le cuivre est uniquement inférieur à l'argent en termes de conductivité électrique, ce qui en fait l'un des métaux les plus importants utilisés aujourd'hui. L'électricité est principalement rendue possible par les fils de cuivre (et certains fils d'aluminium). Sans lui, les lumières resteraient éteintes, les voitures ne rouleraient pas et il serait impossible de lire cet article en ligne.

Le cuivre est facile à braser mais difficile à souder. Son extrême ductilité le rend à la fois solide et flexible, ce qui est rare parmi les métaux. Néanmoins, il ne se contente pas de conduire l'énergie nécessaire pour chauffer nos grilles. Il est utilisé dans la fabrication des semi-conducteurs en tant qu'élément supraconducteur à haute température, dans les joints verre-métal tels que ceux nécessaires pour les tubes à vide et a même été approuvé par l'UE pour une utilisation dans les hôpitaux et les lieux publics en tant que surface antimicrobienne.

Le cuivre élémentaire étant présent dans la nature, les hommes ont commencé à le marteler pour fabriquer des pièces de monnaie et des couverts il y a des millénaires. Aujourd'hui, il entre dans la composition de plus de 570 alliages métalliques différents. Il peut également être utilisé pour les électrodes dans l'usinage par électro-érosion (EDM), une technologie souvent utilisée dans le moulage par injection et l'emboutissage des métaux.

Métaux durs : alliages contenant de l'acier, du chrome, du nickel et du titane, tels que les aciers à outils, les aciers inoxydables, l'Inconel® et le 17-4 PH.

Le monde a également besoin de métaux durs. L'acier est utilisé dans presque tous les domaines : voitures, navires, ponts. Quel que soit le type d'alliage, l'acier est principalement composé de fer. Nos installations du Royaume-Uni sont situées à proximité de l'Ironbridge. Construit en 1779, il s'agit de la première structure au monde fabriquée en fonte. La fonte du fer existe depuis longtemps, mais ce n'est qu'avec le procédé sidérurgique Bessemer, inventé au milieu du XIXe siècle, que la production en masse d'un acier de haute qualité a été rendue possible.

Comme pour les métaux tendres, une petite quantité d'éléments d'alliage peut avoir un effet radical sur les propriétés de l'acier. Il suffit d'une fraction de pourcentage de carbone pour transformer le fer en acier.
Protolabs fabrique de l'acier doux S275JR, qui contient également 1,6 % de manganèse et un peu de silicium.
L'acier carbone EN8 contient un peu plus de carbone (0,4 %), ce qui le rend beaucoup plus dur.

Il n'y a qu'un seul problème : il rouille, ce qui rend le placage ou la peinture indispensable pour la plupart des applications comportant de l'acier carbone.

La solution a été apportée par l'acier inoxydable, inventé en 1913. Les aciers inoxydables 304 et 316 proposés par Protolabs contiennent au moins 20 % de chrome et une bonne quantité de nickel, ce qui les rend plus difficiles à usiner. Néanmoins, ces matières populaires sont couramment utilisées pour les instruments médicaux, les récipients sous vide et sous pression, ainsi que pour les équipements destinés à l'alimentation et aux boissons. L'acier inoxydable de la série 300 est assez résistant, mais ne peut pas être durci comme l'acier carbone. Si la dureté est essentielle pour votre application, envisagez le 17-4 PH, avec 17 % de chrome et 4 % de nickel, l'alliage peut être durci par précipitation (ce qui explique le PH).

Cette matière polyvalente, mais très résistante, fait partie de la famille des aciers inoxydables, mais son usinabilité à l'état recuit se rapproche de celle des superalliages. Lorsqu'il est traité thermiquement, il atteint facilement une dureté de 25 Rockwell C (HRC) et, en combinaison avec un durcissement par nitrure, de 67 HRC. Sa résistance à la traction est de 1 200 MPa ou supérieure, soit trois fois plus que la plupart des aciers. Il est surtout utilisé dans les secteurs médicaux, aérospatiaux et nucléaires, et partout où l'on a besoin d'une haute résistance mécanique et d'une bonne résistance à la corrosion.

L'acier inoxydable est largement utilisé dans l'industrie chimique, le traitement des textiles et les applications navales. De nombreux aciers inoxydables sont également résistants à la température et capables de supporter des températures supérieures à 900 °C (par intermittence). Celles-ci sont suffisamment élevées pour transformer l'aluminium, le laiton et le cuivre en bains de fusion. L'acier inoxydable 316, par exemple, est excellent pour les échangeurs de chaleur et il est régulièrement utilisé dans les turbines à vapeur et les collecteurs d'échappement.

Si vous recherchez des alliages vraiment robustes, le chrome cobalt et l'Inconel sont faits pour vous. Protolabs n'usine pas ces matières, mais notre service d'impression 3D se fera un plaisir de les fusionner en objets solides à l'aide du procédé de fusion laser sur lit de poudre (LPBF ou DMLS). Chaque matière possède des propriétés uniques et hautement performantes.

La teneur en nickel de l'Inconel est de 50 % ou plus, ce qui lui confère une excellente résistance à une vaste plage de températures. Il est utilisé pour des conditions extrêmes telles que les aubes des turbines à gaz, les disques de compresseurs des moteurs à réaction, et même les réacteurs nucléaires et les chambres de combustion des moteurs à réaction. La teneur élevée en nickel fait de l'Inconel l'une des matières les plus difficiles à usiner. Il faut un carbure revêtu résistant à l'usure et une machine-outil rigide. Dans le tableau périodique, le cobalt se trouve à côté du nickel, et c'est le principal ingrédient de l'alliage cobalt chrome. Cette matière est connue pour sa fabuleuse résistance à l'usure et sa biocompatibilité avec l'humain, ce qui le rend idéal pour les implants dentaires, les prothèses de hanche et de genou, et les stents artériels.

Enfin, il y a le titane. Cet élément léger est allié à l'aluminium et au vanadium, ce qui en fait une matière solide et résistante à la corrosion (le plus courant est le grade 5 Ti6Al4V). Comme le cobalt chrome, le titane est biocompatible et est largement utilisé pour les vis, les broches et les plaques pour les os. Sa résistance à la traction est plus de deux fois supérieure à celle de l'acier doux, mais son poids est deux fois inférieur. C'est pourquoi le titane intéresse l'industrie aéronautique et les constructeurs de véhicules à hautes performances.

Les tours CNC utilisent un mandrin ou un mors pour saisir la pièce à usiner et la faire tourner par rapport à un outil de coupe fixe. Vous devez découper un ensemble de supports de bougeoirs ou un raccord pour un tuyau d'arrosage ? Les tours permettent de réaliser rapidement ces pièces et bien d'autres encore. Les centres de tournage-fraisage, comme ceux utilisés par Protolabs, vont encore plus loin avec l'ajout d'outils rotatifs et de broches secondaires, ce qui élimine les opérations d'usinage qui étaient auparavant secondaires.

Impression 3D métal pour les géométries complexes

Pour les pièces impossibles à fabriquer par l'une des méthodes précédemment évoquées, il faut recourir au procédé de fabrication additive par frittage laser direct de métal. Le frittage laser direct de métal s'aventure là où les autres procédés de fabrication ne peuvent pas arriver. À l'instar de son homologue pour le plastique, le frittage laser sélectif (SLS), qui utilise un laser pour fusionner une poudre à base de nylon et lui donner presque toutes les formes imaginables, le DMLS permet d'obtenir des résultats similaires avec des métaux tels que l'aluminium, le cobalt chrome, l'Inconel, l'acier inoxydable et le titane.

Comme la plupart des procédés additifs, le DMLS fabrique les pièces de bas en haut, comme les couches d'un gâteau. Tout commence avec un modèle CAO 3D, qui est découpé en couches d'une épaisseur de 0,02 à 0,06 mm, selon la résolution. Un laser « trace » ensuite chaque fine tranche du modèle CAO sur un lit de poudre métallique, dont la consistance est celle de la farine. Lors du passage du laser, les particules de métal sont fondues et fusionnées avec leurs voisines, créant ainsi un métal doté des mêmes propriétés mécaniques que celui produit dans une aciérie. À mesure que chaque couche est réalisée, une lame en caoutchouc tire de la matière supplémentaire sur la pièce en cours de fabrication et le laser se remet au travail, fusionnant successivement chaque niveau au niveau antérieur. Quelques heures plus tard, une pièce finie apparaît.

Des tolérances de +/- 0,1 mm à +/- 0,2 mm + 0,005 mm /mm devraient être obtenues avec le DMLS, ainsi que des attributs de pièces plus petits que le point à la fin de cette phrase. En raison des températures très élevées, de petites entretoises sont souvent nécessaires pour soutenir la pièce pendant le processus de fabrication et éviter sa déformation. Un post-traitement est nécessaire pour éliminer ces supports. En outre, comme on peut s'attendre à une rugosité de surface de 0,004 à 0,010 mm Ra, en fonction de la matière et de la résolution, un type de polissage secondaire ou d'opération d'usinage peut s'avérer nécessaire.

Méthodes de post-traitement pour le métal

De nombreux procédés de fabrication incluent des opérations secondaires, en particulier pour les pièces en métal.
Le traitement thermique améliore la résistance et élimine les contraintes internes produites lors du traitement des matières premières et de l'usinage lourd.
Les aciers carbone tels que l'EN8 peuvent être trempés à cœur ou en cémentation par nitruration ou carburation. L'EN8 peut être trempé à une dureté de 250 Brinell (HB) équivalente à 25 Rockwell C (HRC), ou jusqu'à 67 HRC en utilisant un revêtement de nitrure.
Les métaux doux tels que l'aluminium et le magnésium ne sont pas trempés de la même manière, bien qu'ils puissent être détendus ou « vieillis » par traitement thermique.

Le traitement de surface est un autre procédé courant de l'usinage post-traitement. L'aluminium est souvent anodisé, ce qui lui confère une surface résistante aux rayures dans presque toutes les couleurs. Pour une protection conductrice, le chromage est une option adéquate. Pour une surface beaucoup plus résistante, l'anodisation dure produit une couche plus épaisse d'oxyde d'aluminium et un revêtement « céramique » extrêmement résistant.
Le cuivre et le laiton se décolorent lorsqu'ils sont exposés à l'oxygène, de sorte qu'un nickelage chimique ou un chromage peuvent être appliqués si une protection est nécessaire. L'acier inoxydable et les superalliages ne nécessitent normalement pas de protection, mais la passivation peut être utilisée pour améliorer le premier. Les aciers carbone, les aciers doux et les aciers à outils font généralement l'objet d'un brunissage de la surface ou d'un placage au nickel ou au zinc. La peinture est également un choix assez courant, mais il est recommandé de procéder à un microbillage ou à une autre forme de préparation abrasive afin d'obtenir une surface propre et exempte de rouille avant l'application de la peinture.

Le service d'usinage de Protolabs propose le microbillage pour éliminer les bavures et donner un aspect uniforme aux surfaces usinées, tout comme son service d'impression 3D pour les pièces DMLS. Le microbillage, comme son nom l'indique, est réalisé à l'aide d'un flux à haute pression de particules telles que des billes de céramique ou de verre pour lisser les arêtes vives et éliminer les bavures. Le polissage utilise de petits éléments en céramique ou en plastique dans un culbuteur pour obtenir le même effet. Protolabs permet d'obtenir des pièces microbillées dans des délais standard. Dans la plupart des cas, les clients peuvent faire recouvrir, peindre ou anodiser leurs pièces ailleurs que chez Protolabs immédiatement après, ou faire appel à notre partenaire HUBS, qui dispose d'une plus large gamme de finitions.

Trouve le bon équilibre entre les matières et les procédés chez Protolabs

Protolabs vous propose une grande variété de métaux. Associez ces métaux à plusieurs procédés d'usinage et tout ce que vous pouvez imaginer et dessiner est possible ! Et pour ce qui est de l'impossible, la fabrication additive métal transforme presque tous les modèles de CAO en réalité concrète.

Il s'agit là d'une déclaration très ambitieuse, dont voici les petits caractères. Les pièces fabriquées par les procédés d'impression 3D et d'usinage de Protolabs sont soumises à des restrictions de taille minimale et maximale. Chez Protolabs, les enveloppes de pièces ne cessent de s'étendre, nous vous invitons donc à consulter les directives de conception répertoriées pour chaque procédé en ligne sur protolabs.Fr

En ce qui concerne les pièces usinées, les parois d'une épaisseur inférieure à 0,5 mm sont également déconseillées, et la profondeur des outils ne doit pas dépasser 50 mm d'un côté à l'autre. Les tolérances des pièces sont généralement de ±0,1 mm. À l'heure actuelle, Protolabs ne prend pas en charge l'usinage du cobalt chrome et de l'Inconel.

Le frittage laser direct de métal permet de produire des pièces à partir d'un grand nombre des matières mentionnées antérieurement, auxquelles s'ajoutent le cobalt chrome et l'Inconel. Les capacités de Protolabs en matière de DMLS comprennent trois niveaux de précision : résolutions normale, haute et fine. Chacun d'eux permet d'obtenir des épaisseurs de couche très fines et des tailles d'attributs minimales, des capacités qui progressent régulièrement et que l'on peut là encore trouver en ligne sur le site protolabs. Les pièces fabriquées par DMLS nécessitent généralement des procédés supplémentaires pour améliorer la finition de la surface, ainsi que le meulage ou l'usinage pour éliminer les supports de pièces créés au cours du processus de fabrication.

Bien entendu, certaines pièces peuvent demander un usinage supplémentaire après avoir quitté les installations de Protolabs. Les délais d'exécution rapides et les prix compétitifs signifient que Protolabs ne constitue pas une solution universelle. Les coins internes carrés peuvent nécessiter un usinage par électroérosion, les trous avec des tolérances étroites peuvent nécessiter un alésage, les diamètres externes et les surfaces peuvent être rectifiés ou rodés. Malgré ces limitations, Protolabs produit des pièces uniques et des pièces en métal en petites séries plus rapidement que quiconque, dans une gamme de matières qui répondent aux exigences de la majorité de nos clients.

Des dizaines de matières plastiques peuvent également être usinées chez Protolabs, ainsi que des centaines de thermoplastiques moulables et de matières en caoutchouc de silicone liquide. Quel que soit votre projet, nous vous proposons des matières, une gamme de services de fabrication (impression 3D, usinage CNC et moulage par injection) et des tarifs pensés pour répondre à vos besoins en matière de fabrication de pièces.