L'aluminium est un matériau essentiel dans l'industrie manufacturière moderne, en particulier dans le secteur des transports, car il est léger, résistant et recyclable. À mesure que les véhicules et autres systèmes deviennent plus sophistiqués, les fabricants ont besoin de pièces en aluminium résistantes, légères et de formes variées. Cette demande nécessite de nouvelles approches dans la production de composants en aluminium.
L'extrusion est l'une des méthodes de formage les plus courantes. Elle consiste à façonner l'aluminium chauffé en le forçant à passer à travers une ouverture profilée appelée matrice pour produire une pièce continue présentant un profil transversal précis. L'extrusion permet de produire toutes sortes d'éléments, des tiges et tubes aux pièces structurelles complexes utilisées dans les véhicules, les bâtiments et les machines.
Cependant, la fabrication de profilés en aluminium plus résistants et plus complexes peut ralentir la production et augmenter les coûts. Pour remédier à cela, le Groupe de R-D industrielle METALTec a mené un projet de 4 ans pour aider les fabricants à produire des pièces de formes variables et dotées de meilleures propriétés mécaniques. Les technologies d'extrusion avancées ainsi produites permettent de créer des pièces hautement performantes de manière plus efficace et à moindre coût.
Perfectionner le procédé d'extrusion
Pour réaliser ces avancées, une équipe de scientifiques du CNRC dirigée par Jean-François Béland, agent de recherches et expert en la matière, et soutenue par Julie Menier, gestionnaire de projet, a mis au point un outil virtuel de modélisation numérique du procédé d'extrusion. Ce travail a été réalisé en collaboration avec une équipe de l'École de technologie supérieure, de l'Université de Sherbrooke et de Rio Tinto, membre du Groupe de R-D industrielle METALTec.
De tels outils numériques permettent aux scientifiques de tester des concepts avant de construire des prototypes physiques, ce qui permet des économies de temps et d'argent. L'équipe a également mis au point une nouvelle technique de fabrication additive pour l'acier à outils en ajoutant des canaux de refroidissement complexes afin d'améliorer la productivité. Ensemble, ces innovations améliorent l'efficacité et les performances des procédés d'extrusion, en particulier pour les applications de transport, tout en respectant les normes industrielles.
Création de composants en aluminium plus résistants et plus « intelligents »
L'équipe a mis au point de nouveaux algorithmes pour des outils de simulation qui permettent de tester les procédés de fabrication par extrusion dans lesquels la section transversale du profilé change pendant l'extrusion. Par exemple, l'ajout ou le retrait de matière peut épaissir ou modifier le profilé au fur et à mesure de son extrusion. Ces nouveaux algorithmes sont aussi précis que les méthodes standard, tout en étant 50 fois plus rapides. Cet outil virtuel peut modéliser des procédés complexes d'extrusion impliquant des sections transversales variables, ce qui permet de concevoir des composants plus légers et plus résistants avec moins d'essais et d'erreurs. Les scientifiques ont également mis au point des modèles qui prédisent comment la structure interne de l'aluminium (son orientation cristalline) change pendant l'extrusion. En ajustant la conception de la matrice pour réorienter les cristaux pendant l'extrusion et équilibrer le flux métallique, ils et elles ont amélioré la formabilité jusqu'à 30 % pour certains alliages extrudés. Cette méthode permet aux spécialistes de fabriquer des profilés cohérents et stables présentant des propriétés mécaniques supérieures pour les applications de formage à froid comme le pliage et l'hydroformage.
Augmenter la productivité et l'efficacité
Si un alliage surchauffe pendant l'extrusion, le procédé doit être ralenti afin de maintenir la qualité des pièces. Pour surmonter cette limitation, l'équipe a étudié des moyens d'extraire la chaleur pendant l'extrusion.
En utilisant la méthode de fabrication additive WAAM, les scientifiques ont ajouté des canaux de refroidissement complexes dans une filière d'extrusion afin d'évacuer la chaleur lorsque le profilé en aluminium sort de la filière, ce qui permet une extrusion plus rapide. Bien qu'il existe des techniques semblables pour l'acier, le procédé WAAM est plus rapide et utilise des matériaux plus rentables. Lorsqu'elle a été testée sur un alliage à haute résistance (AA6011), la filière équipée de canaux de refroidissement a permis une extrusion 30 % plus rapide, ce qui constitue une avancée majeure vers une meilleure efficacité.
Collaboration et retombées
Cette initiative a été couronnée de succès grâce à la collaboration avec l'École de technologie supérieure de Montréal, l'Université de Sherbrooke et le Centre de recherche et développement Arvida de Rio Tinto à Saguenay–Lac-Saint-Jean. Le projet a été financé dans le cadre du programme Fabrication de pointe, l'un des volets du Programme de collaboration en sciences, en technologie et en innovation (PCSTI) du CNRC, avec le soutien additionnel des partenaires industriels de METALTec, du Centre québécois de recherche et développement de l'aluminium et du Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada.
Ce projet a déjà donné lieu à 7 publications évaluées par des pairs et a permis de former 10 personnes hautement qualifiées, renforçant ainsi l'expertise du Canada dans le domaine de la fabrication de pointe et du génie des matériaux.
Façonner l'avenir de la fabrication
Grâce à ces travaux, les scientifiques du CNRC aident les fabricants à produire des composants en aluminium plus résistants, plus légers et plus complexes, tout en maintenant une production efficace et rentable. Ces avancées profiteront aux industries partout au Canada et ailleurs, stimulant l'innovation dans le secteur des transports et favorisant la transition vers des produits plus durables et plus performants.