À tout moment, je suis susceptible d’avoir plusieurs projets en cours, ce que j’entends bien sûr à divers stades de négligence. Mon grand projet actuel est celui où j'ai enfin l'impression d'avoir la chance d'utiliser certains matériaux avec une véritable crédibilité de hacker, comme les profilés en aluminium extrudé à rainures en T. Nous avons tous vu le truc, le "Set de montage industriel" comme 80/20 aime appeler leur version de celui-ci. 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 en tant que gardes-éternuements dans les magasins de détail.

Les profilés en aluminium à rainures en T sont parfaits pour travailler – solides, légers, facilement connectés avec une large gamme de fixations, et infiniment configurables et reconfigurables en fonction des besoins. Ce n’est en aucun cas bon marché, mais si vous prenez en compte le gain de temps de fabrication, il peut être avantageux de spécifier les éléments d’un projet. Pourtant, avec le succès projeté dans 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 la bière et les canettes de soda, vous êtes probablement entouré de produits en aluminium extrudé en ce moment. Tout, des radiateurs d'ordinateur aux cadres de fenêtres en passant par les pièces qui composent les portes grillagées, est en aluminium extrudé. Alors, comment est fabriqué exactement ce truc omniprésent?

Le Die

Le processus de base pour extruder l'aluminium est, extérieurement, aussi simple à comprendre que le processus d'extrusion utilisé par une imprimante 3D: chauffer le matériau et le forcer à travers une matrice avec 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.

Une filière au profil distinctif. Source: Phoenix International

La conception de la matrice 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 maintenir leur stabilité dimensionnelle ce faisant. Les matrices d'extrusion commencent leur vie sous forme de barres rondes en acier à outils jusqu'à 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 parcouru par l'aluminium est long lorsqu'il passe à travers la matrice, plus le frottement qu'il subit est important. Plus de friction signifie plus de force, ce qui signifie des presses plus grandes, plus d'usure des matrices et généralement des coûts plus élevés.

Les matrices sont généralement créées par des fabricants spécialisés qui emploient des ingénieurs et des machinistes de conception de matrices qualifiés. Le processus de transformation d'un dessin 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 décharge électrique (EDM) est largement utilisé pour obtenir les détails fins nécessaires pour fournir une finition lisse et pour obtenir la géométrie précise nécessaire pour contrôler le flux d'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 profils 80/20, l'espace négatif des rainures en T et l'alésage central. La matrice doit créer ces caractéristiques, qui exigent que certaines parties de la matrice «flottent» dans le flux entrant de métal ramolli. Les Diemakers accomplissent ceci en suspendant ces caractéristiques 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 de sorte que le métal s'écoule autour d'eux et s'assemble 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 mouvement est également important pour la conception de la matrice. Alors que le côté sortie de la matrice est à peu près exactement la taille et la forme de l'extrusion finie, le côté entrée est tout sauf. 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, de sorte que tout ce qui peut être fait pour réduire ces forces est comme 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 pourquoi les concepteurs de matrice incluent des angles de dépouille très généreux sur la largeur de la matrice.

La pression

Il existe un certain nombre de façons différentes d'aborder le processus d'extrusion, chacune avec ses propres avantages et inconvénients. L'extrusion directe est fondamentalement ce que vous connaissez en impression 3D, ou si vous avez déjà utilisé l'une de ces choses pressantes dans un ensemble Play-Doh: un morceau de matériau ramolli est pressé contre une matrice, qui coule ensuite à travers la matrice. prendre sa forme définitive. L'extrusion indirecte fait tourner cela autour, forçant la matrice à se déplacer par rapport au matériau. Les deux approches ont leurs avantages et leurs inconvénients, et les deux aboutissent à des extrusions avec des propriétés métallurgiques différentes.

Dans l'un ou l'autre procédé, une grosse bûche d'aluminium, appelée billette, est chauffée dans un four à gaz ou par induction. La température varie avec l’alliage spécifique et la complexité de la matrice, mais il est important de noter que la billette n’est pas fondue, juste ramollie. La matrice et une grande partie de la presse hydraulique sont également chauffées, pour éviter que les contraintes thermiques ne cassent quoi que ce soit dans la machine et pour empêcher l'aluminium de refroidir trop tôt et de coller à la matrice.

Les presses d'extrusion d'aluminium ont généralement une orientation horizontale, avec un vérin hydraulique massif faisant face à la filière à travers un espace étroit. La billette préchauffée est placée dans l'espace et le vérin hydraulique commence à la presser dans la filière (ou, en extrusion indirecte, déplace la filière sur le matériau). Le métal ramolli commence à s'écouler dans les espaces de la matrice, autour des bras, et à se rétrécir dans la forme finale à sa sortie de la matrice.

L'extrusion en croissance sort de la presse et est presque immédiatement trempée avec de l'air ou, plus couramment, un bain-marie. Le processus de trempe est important, car lorsque l'extrusion sort de la filière, elle est encore molle et susceptible de se déformer. La trempe définit également la structure cristalline des métaux dans l'alliage, donnant à l'extrusion finie les propriétés métallurgiques souhaitées.

Étirement et vieillissement

Mais même avec la trempe, les extrusions qui sortent de la filière sur les longues tables de sortie sont loin d'être complètes. Les énormes forces exercées lors de l'extrusion couplées aux contraintes thermiques de trempe déforment et déforment inévitablement les profilés. Ceci est corrigé par une opération d'étirage, où les extrusions sont littéralement prises et étirées le long du chemin avec des outils hydrauliques. Cela redonne au profil sa forme prévue; le changement de quelques pourcentages de la longueur du profil change nécessairement légèrement les dimensions du profil, ce qui doit être pris en compte par les concepteurs de matrices.

Curieusement, les extrusions fraîches doivent être vieillies quelque peu à des températures élevées avant d'atteindre leur résistance finale spécifiée. Ceci est accompli dans de grandes tours de vieillissement sur une période d'heures à jours, selon l'alliage. Les extrusions vieillies sont ensuite coupées à la longueur, éventuellement avoir une finition appliquée – les finitions anodisées claires ou teintes sont très populaires pour les extrusions 80/20 car elles protègent l'aluminium de l'oxydation – et emballées pour l'expédition.

Compte tenu de la quantité de matériau qui entre dans une extrusion d'aluminium et de l'investissement nécessaire pour faire fonctionner les énormes machines qui font le travail, il est facile de comprendre pourquoi les profils 80/20 coûtent ce qu'ils font. Alors maintenant, je vais peut-être mordre la balle et commander ce dont j'ai besoin.

Images en vedette: F&L Industrial Solutions, Inc.

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