Créé le : 03/08/2009
Faire le point sur les applications du matériau aluminium en 2002, notamment dans le domaine des transports et sur les progrès récents en matière d'industrialisation de la mise en forme en grande série pour la construction automobile.
Envisager les développements de nouvelles techniques de mise en forme, en particulier de l'hydroformage et du thixoforgeage.
Evoquer les perspectives de développement de l'aluminium par l'élaboration de nouvelles nuances.
L'ensemble des conférences ont traitées principalement du travail de la tôles et des profilés et de façon marginale de la mis en oeuvre par forgeage.
Le congrès ALUFORM (première édition) s'est tenu les 15 et 16 janvier 2002 à la Cité des Sciences et de l'Industrie de Paris. 24 conférences ont été présentées à environ 200 congressistes du monde industriel et universitaire.
L'accent a été mis sur les développements en cours et potentiels dans divers secteurs industriels concernant les transports (aéronautique, automobile et construction navale). Globalement la croissance annuelle moyenne attendue de l'emploi de l'aluminium dans les transports est de 3,5 % au cours des prochaines années [1].
Figure 1 - Marché mondial de l'aluminium en 2000
Grandes tendances observées
La construction aéronautique a été le premier secteur industriel utilisateur de l'aluminium pour sa légèreté et ses bonnes caractéristiques mécaniques. Ce secteur industriel est donc celui qui acquis la plus grande expérience dans le plus large éventail de technologies de mise en uvre de l'aluminium. Cependant depuis une dizaine d'années les contraintes environnementales et réglementaires de plus en plus fortes dans les pays industrialisés ont incité les constructeurs automobiles à alléger leurs véhicules pour réduire leur consommation de carburant avec un triple objectif : économiser les ressources énergétiques, réduire le niveau de pollution et lutter contre l'effet de serre. Les alliages d'aluminium répondent bien à ces contraintes non seulement par leur faible poids spécifique mais aussi par leur aptitude au recyclage, non seulement d'un point de vue technologique mais aussi par leur valeur économique en fin de vie, très supérieure à celle de l'acier [2].
Echéances prévues pour les émissions de gaz à effet de serre:
2008 : 140 g CO2 /km soit 5,6 L/100 km (accord ACEA)
2012 : 120 g CO2 /km soit 4,8 L/100 km (Union européenne).
Figure 2 - Evolution du taux de recyclage obligatoire des véhicules en Europe
Développements en construction automobile
Plus que l'aéronautique où l'aluminium trouve depuis plus de 50 ans un domaine de mise en uvre privilégié, la construction automobile constitue depuis quelques années un nouveau domaine de développement de l'aluminium sous toutes ses formes : tôles, profilés, pièces moulées ou forgées. Ces développements ont été illustrés par une forte majorité des conférences (17 sur 24). Déjà fortement présent dans les blocs-moteurs, les culasses et les pièces de transmission, l'emploi de l'aluminium concerne de plus en plus de pièces de structure et de pièces de carrosserie.
L'emploi de l'aluminium dans l'automobile s'est fortement accru depuis 1995 en Europe et la tendance est analogue aux Etats-Unis et au Japon. Il permet de compenser et d'inverser la tendance à l'augmentation de poids des véhicules constatés depuis 10 ans et liés à la présence de plus en plus d'équipements de confort et de sécurité.
Les évolutions récemment envisagées (85 kg d'aluminium par véhicule en 2000) apparaissent cependant en retrait par rapport aux prévisions effectuées en 1992. On prévoyait alors une moyenne de 115 kg d'aluminium par véhicule en 2000 (source Hydro Aluminium automotive) [24].
Figure 3 - Perspective d'évolution de l'aluminium dans la construction automobile
Tableau 2 - Evolution envisagée de l'utilisation de l'aluminium par véhicule [2][3]
Année Poids véhicule (kg) Poids alu(kg) % alu
1998 78
2000 1100 85 8
2005 1000 125 12,5
2010 160
Sources : EAA, Péchiney
Bien que globalement l'offre en nuances d'acier pour l'automobile se soit considérablement diversifiée depuis une vingtaine d'années (50% des nuances sont dites à haute résistance ) on constate également deux voies d'amélioration de l'aluminium pour les tôles d'automobile :
- augmentation de la résistance à l'indentation
- amélioration de la formabilité
Une dernière voie d'amélioration de la pénétration de l'aluminium dans l'automobile est la simplification des process industriels par la réalisation de pièces complexes et de grandes dimension (châssis) en réduisant le nombre de pièces et d'opérations d'assemblage.
Figure 4 - Evolution de l'aluminium par catégorie de pièces dans les véhicules européens
Applications dans l'industrie aéronautique
Les différentes techniques de mise en forme de l'aluminium ont été rappelées lors de ce congrès[4]: formage par étirage de tôles, formage sous pression de fluide, formage sur coussin élastique, formage par grenaillage, formage par pliage successif ou endallage, formage superplastique, formage par étirage de profilés. Les technologies de mise en forme utilisées ont comme point commun des temps de cycle relativement longs compatibles avec les productions en courte série caractérisant la construction aéronautique. Aucune évolution majeure n'a été évoquée pour ces procédés. En revanche sur le plan métallurgique, la construction aéronautique semble motiver la mise au point de nouvelles nuances qui seront utilisés dans le projet AIRBUS A380 :
- AA7040 T7651 à résistance améliorée
- AA7349 pour les raidisseurs de fuselage
- AA6056 soudable pour les panneaux de fuselage
- AA7449
Transfert entre secteurs industriels
Les exposés n'ont pas relaté de transfert notables de technologies de l'aéronautique vers les applications automobiles sauf pour le cintrage par étirage de profilé utilisé pour la structure des voiturettes AIXAM et la structure de toit du monospace RENAULT AVANTIME [5].
Points forts et points faibles du matériau aluminium
Les différentes conférences ont permis de dégager les différents points forts et points faibles de l'aluminium, essentiellement dans une optique d'applications au secteur des transports.
Points forts
- Légèreté
- Résistance spécifique élevée
- Aptitude au recyclage
- Diversité des modes de mise en forme
- Diversité des demi-produits
- Résistance à la corrosion
- Aptitude à l'intégration de fonctions
- Aptitude à l'absorption d'énergie
Points faibles
- Formabilité à froid difficile
- Coût matière élevé
- Fluctuation apparente du prix
- Faibles caractéristiques tribologiques
- Forte antériorité des développements métallurgiques de l'acier
- Méconnaissance du matériau par les bureau d'études à culture acier
- Industrialisation nécessitant de reconcevoir certains process industriels mis au point pour l'acier
- Peu d'applications industrielles en grandes séries pour la mise à forme à froid (sauf frappe à froid)
Techniques de mise en forme
Découpage emboutissage
Des cadences compatibles avec la grande série
La mise en forme de tôles d'aluminium par emboutissage sur presses se développe pour les pièces de carrosserie automobile de grandes dimensions et présentant des conditions d'emboutissage peu sévères. Les progrès réalisés au niveau de la simulation numérique ont été exploités en particulier pour tenir compte du retour élastique et de l'effet de la gravité sur la déformation de la tôle lors de sa manutention [6]. Les exemples industriels existants concernent les capots moteurs de plusieurs modèles récents :
- RENAULT CLIO II
- RENAULT LAGUNA II
- PEUGEOT 607
- PEUGEOT 307
- CITROËN C5
La production en grande série a été atteinte chez CITROËN pour la C5 (950 véhicules/jour) et surtout chez PEUGEOT pour la 307 (2700 véhicules/jour), record actuel mondial de cadence [7]. Malgré l'augmentation d'épaisseur par rapport à la solution acier, la réduction de poids est de 5 à 7 kg selon le modèle. L'aptitude à l'assemblage et les problèmes liés à la découpe de la tôle lors du détourage [22] ont dû être résolus avant industrialisation.
L'intérêt d'une mise en forme à température élevée, de l'ordre de 200 à 300°C, est d'augmenter la formabilité de l'aluminium et de pouvoir ainsi réaliser des pièces de forme plus complexe. Des études ont été réalisées par l'Université de Darmstadt notamment le chauffage partiel du flan au niveau du serre-flan en emboutissage profond, en emboutissage hydromécanique et en hydroformage de tubes. Les limitations ont été constatées au niveau de la perte de pouvoir lubrifiant des huiles à environ 200°C [8].
La tribologie est un des facteurs clés du développement de l'emboutissage de l'aluminium. L'IFU de Stuttgart a fait le point sur les facteurs régissant le comportement en frottement [9] : tôles, outillages et lubrifiants. L'écoulement de matière sous le serre-flan dépend de la forme du flan, du lubrifiant et de son mode d'application , de la géométrie des joncs et du coefficient de frottement. Au niveau des tôles la texture superficielle obtenue par différents états de surface des cylindres finisseurs de laminage ainsi que le revêtement influencent la force de frottement. De même l'état de surface, le revêtement et la géométrie de l'outillage sont à considérer ainsi que les lubrifiants.
Fabrication de roues en aluminium
MICHELIN KRONPRINZ a produit des roues en aluminium dès 1979 [18]. La motivation était l'économie d'énergie recherchée après la crise pétrolière pour la MERCEDES 240D destinée au marché américain. Depuis de nombreux modèles ont été équipés de roues aluminium qui ont été comparées avec la solution acier pour la gamme de charge de 500 kg par roue. La réduction de poids varie de 27 à 42%. Une première gamme de fabrication a consisté en l'emboutissage du voile, le poinçonnage de la ventilation des freins et le perçage des trous de montage puis l'assemblage avec la jante calibrée par laminage circulaire. Une gamme permettant de réduire encore le poids a été depuis mise au point en formant la jante par fluotournage de l'aluminium. Il est possible d'amincir la jante de 3,8 mm à 1,9 mm, soit un allégement supplémentaire d'environ 500 g par roue.
Elastoformage
L'élastoformage ou formage sur matrice flexible est essentiellement utilisé pour des pièces aéronautiques de petites dimensions (jusqu'à 3 m de long). Il permet d'effectuer des tombages de bord. Plusieurs pièces identiques ou non sont réalisables dans un même cycle de presse ; le handicap principal est la durée de cycle (plusieurs minutes) mais la réalisation de l'outil est économique et il est possible de réaliser des bords rentrants.
L'exposé de ACB Pressure Systems [10] a mentionné une nouvelle application non aéronautique : la réalisation d'une prothèse de hanche en une passe à l'aide d'un outillage de forme obtenu par compression isostatique à chaud (HIP). La pièce ne nécessite qu'un détourage ultérieur pour obtenir la forme finale.
Emploi et mise en forme de profilés
Les profilés aluminium constituent un demi-produit dont l'emploi augmentera fortement dans l'automobile avec le développement de la conception spaceframe ou cage d'oiseau. L'offre de nuances concerne la série 6000 avec les grades 6060, 6106, 6005A et 6351 (Péchiney Automotive) [5]. Les profilés permettent de réaliser des sections de formes complexes qui optimisent la logeabilité de la structure et la répartition de la matière là où elle est strictement nécessaire. D'autres avantages sont la combinaison de fonctions telles que l'augmentation de la rigidité, l'assistance à l'assemblage (nervures, encoches) et la réduction de l'usinage. Pour la sécurité passive des passagers, une poutre d'absorption de choc en profilé alu a une capacité supérieure à son équivalent mécanosoudé acier (aptitude au bottelage).
Tableau 3 Comparaison solutions acier mécano soudé et profilé alu pour l'absorption de choc
Acier mécanosoudé Alu profilé
Section (75 x 115 mm) (75 x 100 mm)
Masse linéaire 4,5 kg/m 2,3 kg/m
Capacité d'absorption de choc moyenne 43 kN 55 kN
Le cintrage par étirage permet de respecter des tolérances géométriques strictes [11].
Exemples d'applications :
- Structure cage d'oiseau de l'AUDI A2
- Structure de pavillon RENAULT AVANTIME
- Châssis de la LOTUS ELISE
- Rail de toit
- Structure de portières de la MCC SMART
- Pare-chocs MERCEDES classe A
- Armatures de sièges MERCEDES classe A
Le développement de composants en profilés cintrés passe par un recours à la simulation numérique pour prévenir l'effondrement de la paroi.
Un facteur clé de développement est le faible coût des outils de cintrage qui doivent cependant être soigneusement choisis en fonction de la taille des séries.
Formage superplastique
Le formage superplastique utilise l'aptitude d'un métal à se déformer plastiquement à haute température (environ 500°C) avec des allongements pouvant atteindre 1000%. Cette technique a été utilisée pour les alliages de titane TA6V et connaît un développement dans des pièces en alliage d'aluminium pour construction aéronautique. L'ENSAM d'Angers a étudié la mise en forme pour des supports de l'AIRBUS A340-500/600 dans le cas de deux alliages [12], le 5083 pour un composant non critique et le 7475 pour un composant critique. Aucune perspective hors aéronautique n'a été évoquée.
Procédé Cobapress
Le procédé Cobapress (COulé BAsculé PRESSé) a été breveté en 1983 par Saint-Jean Industries [13]. Pour cette entreprise et ses licenciés, les clients actuels du secteur automobile sont PSA, BMW, VOLVO, OPEL, AUDI-VW, GM et HONDA. Cette technologie vise un potentiel d'extension considérable au niveau mondial.
Ce procédé intermédiaire entre la fonderie et la forge permet de réaliser des pièces à meilleure tenue en fatigue que les pièces de fonderie tout en utilisant des lingots d'aluminium de fonderie donc moins chers que les billettes de forge. Le procédé bénéficie également de la simulation du procédé de forge par FORGE 2 et FORGE 3. D'autre part des ébauches d'alésage peuvent être créées et on peut prévoir l'insertion de paliers en acier.
Tableau 4 - Comparaison du procédé Cobapress avec la fonderie et la forge
Avantages par rapport à la fonderie en coquille Avantages par rapport à la forge
Meilleures caractéristiques mécaniques Deux étapes distinctes et simples
Meilleure santé matière Matière moins chère et recyclable dans le process
Meilleur état de surface Souplesse de conception
Précision dimensionnelle Intégration de fonctions
Fiabilité du process
Moins de surdimensionnement
Après le démarrage de la production chez Barriol et Dallières en 1996, le groupe SIFCOR (Forges de Courcelles, Forges Barriol et Dallières, AMIS) développe la technologie par sa filiale CCFT (Cobapress Coulée Forgé Technologies) créée en 1998 pour la fabrication de pièces de liaison au sol pour la construction automobile. Un nouveau site CCFT spécialisé a été créé en 2001 à Andrézieux-Bouthéon (42) pour une entrée en production en octobre 2002.
Techniques nouvelles
Hydroformage de tubes et de profilés
L'hydroformage est particulièrement adapté à la mise en forme de l'aluminium parce qu'il permet d'obtenir des déformations plus importantes que l'emboutissage sans réduire l'épaisseur des parois. L'hydroformage de tubes a de nombreuses applications possibles en construction automobile :
- Armature de siège
- Arbre de transmission
- Arbre à cames rapportées
- Tubulure d'échappement
- Tubulures de refroidissement
- Support de radiateur
- Poutre d'absorbeur de choc
- Berceau moteur
- Pare-chocs
- Barres de renfort latéral
- Pieds de structure
- Etc.
L'AUDI A2 est actuellement le modèle où les tubes et profilés en aluminium hydroformés sont les plus employés. Le filage de l'aluminium permet de réaliser des profilés à chambres multiples, de faire varier l'épaisseur de paroi.
Tableau 5 - Comparaison technologique entre profilés et tubes [14]
Profilés Tubes
Avantages Avantages
Section complexe Cintrage selon géométrie complexe
Chambres multiples Forte variation de section en sens long
Variation d'épaisseur de paroi Torsion possible par préformage
Rayons très faibles
Meilleures tolérances au calibrage par hydroformage
Inconvénients Inconvénients
Formabilité par expansion réduite Pas de raidissage par cloison interne
Retour élastique élevé Rayons supérieurs à un minimum
Géométrie de préforme simple Pas de nervures longitudinales
Géométrie en torsion limitée Pas de variation de section en sens travers
Variation de section en sens long limitée
Thixoforgeage
L'IFU de Stuttgart dispose de moyens d'essai de thixoforgeage de l'aluminium pour la réalisation de composants automobile (presse de 5000 kN) [15]. La technologie est basée sur la maîtrise de la température (environ 500°C) qui assure l'état solide-liquide de l'alliage. La technologie est caractérisée par un temps de cycle relativement long (30 sec.) mais les formes réalisables en une seule passe sont plus complexes qu'en forge avec notamment des parties saillantes latérales et des alésages réalisables directement. De même des voiles minces (2 mm) sont réalisables sans usinage (réalisation de profilés renforcés par caissons).
L'installation de l'IFU est équipée de deux robots d'amenage et d'évacuation des pièces. Des pièces en alliage AlSi7Mg ont été réalisées pour l'équipementier automobile TRW (fusée d'essieu).
Découpe par laser 3D
La société ROPTIM'AXES réalise l'étude d'implantation de cabines robotisées [16]. Après avoir réalisé l'intégration du site laser YAG au Technocentre de RENAULT à Guyancourt pour des essais de découpe de pavillon sur caisse en blanc de la KANGOO et du site prototype de PSA à Vélizy, un partenariat a été créé avec le CLFA (Coopération Laser Franco-Allemande) pour l'élaboration et l'industrialisation des process laser (découpage, soudage).
Perspectives d'avenir
Développement de nouvelles nuances d'alliages d'aluminium
L'industrie de l'aluminium a élaboré de nombreuses nuances (séries de AA2xxx à AA7xxx). L'intérêt des séries 3, 4, 5, 6 et 7xxx pour répondre aux besoins de l'automobile a été souligné face aux solutions offertes par les aciers, le magnésium ou les matériaux composites [17].
[1] Nouveaux marchés et facteurs d'évolution de la tôle d'aluminium pour les pièces de carrosserie et de châssis et les pièces structurelles, B. Broich, VAW Aluminium AG
[2] Les défis de l'aluminium, J.N. Dargnies, Péchiney
[3] L'emploi de l'aluminium dans l'automobile, G. Maeder, Renault
[4] Procédés de formage de tôles dans la construction aéronautique, L. Chevalier, Airbus
[5] Les profilés aluminium dans l'automobile, M. Bouet-Griffon, O. Parant, Péchiney
[6] Simulation numérique de l'emboutissage de l'aluminium chez Renault, M. El Mouatassim, Renault
[7] Emboutissage à forte cadence de pièces en aluminium pour l'automobile, B. Chamont, PSA Peugeot Citroën
[8] Formabilité des alliages d'aluminium dans les procédés de mise en forme à chaud, P. Groche, S. Keller, VAW Aluminium AG
[9] Rôle de la tribologie dans l'aptitude à l'emboutissage des alliages d'aluminium, K. Siegert, Th. Keesser, IFU Stuttgart
[10] L'élastoformage, G. Chancerelle, ACB Pressure Systems
[11] Le cintrage par étirage des profilés en aluminium, P. Jamet ACB Pressure Systems
[12] Formage superplastique, J.L. Lebrun, ENSAM Angers
[13] Formage Cobapress, V. Bouvier, Saint Jean Industries, H. Muller, CCFT
[14] Hydroformage de profilés en aluminium, K. Siegert, IFU Stuttgart
[15] Thixoforgeage de en aluminium pour l'automobile, J. Baur, G. Messmer, IFU Stuttgart
[16] Applications robotisées de découpe 3D par laser YAG, F. Chaventon, Roptime'Axes, Ph. Aubert, CLFA
[17] Progrès récents dans les alliages d'aluminium pour les transports, B. Marandet, CETIM-CERTEC
[18] Roues en aluminium pour voitures particulières, M. Hibben, Michelin KPZ
[19] Une approche théorique et expérimentale de la formabilité des alliages d'aluminium, M. Brunet, INSA Lyon
[20] Mise en forme par hydroformage de pièces de carrosserie aluminium, M. Aust, IFU Stuttgart
[21] Fibre metal laminates, J.W. Gunnink, FMLC
[22] Détourage de pièces de carrosserie sur une ligne d'emboutissage, D. Daniel, Péchiney CRV, J. Sommer, Läpple
[23] Assemblages mécaniques, F. Fanica, Péchiney CRV
Pour mémoire :
[24] Les emplois de l'aluminium se développent dans l'indistrie automobile, Matériaux & Techniques n°8-9, 1993, pp.75-76.