Introduction au formage de tôle, du prototypage à la production

La production industrielle de composants en métal est essentielle pour tous les domaines de l’économie. Du fait de leur solidité, leur rigidité et leur grande durabilité, les composants en métal sont utilisés dans diverses applications, allant des appareils ménagers aux panneaux pour carrosseries de voiture, en passant par des éléments de construction. Parmi les techniques traditionnelles de fabrication de composants métalliques, on trouve le formage, la fonderie, le moulage, l’assemblage et l’usinage. 

Le formage de tôles métalliques se réalise par divers procédés dans lesquels une feuille métallique est déformée plastiquement pour prendre la forme requise, en modifiant sa géométrie plutôt qu’en enlevant de la matière. Les feuilles métalliques peuvent prendre diverses formes complexes par traction ou torsion. Cela permet de réaliser des structures complexes avec un minimum de matériau et présentant une grande solidité. 

Le formage de tôles est actuellement le procédé le plus rentable pour fabriquer des pièces métalliques en grande quantité. Le formage peut être très automatisé dans les usines, mais aussi réalisé manuellement dans des ateliers de métallurgie pour la production de petites séries de pièces. Ce procédé est polyvalent, reproductible et de grande qualité. Il permet de réaliser des pièces de précision en limitant les déchets. Les objets métalliques fabriqués par formage ont envahi notre quotidien, des cannettes aux boîtiers de protection d’appareils. 

Cet article présente les notions de base sur les tôles, les différents procédés de formage, et comment réduire les coûts des procédés avec un outillage rapide et des matrices imprimés en 3D. Regardez le webinaire ou téléchargez notre livre blanc pour obtenir un aperçu détaillé et un guide pas-à-pas du processus. 

Les tôles métalliques sont de fines feuilles de métal, obtenues par des procédés industriels. Elles peuvent être extrêmement fines, sous forme de film ou de bobine, les feuilles pouvant avoir jusqu’à 6 mm d’épaisseur. Celles dont l’épaisseur dépasse 6 mm sont considérées comme des plaques d’acier, ou encore de l’acier « structurel ». Leur épaisseur est habituellement spécifiée internationalement en millimètres, sauf aux États-Unis où une mesure non-linéaire est utilisée, la jauge. Plus sa valeur est élevée, plus la tôle est fine. 

Les tôles sont beaucoup utilisées dans la fabrication des automobiles, des avions, des trains, des boîtiers d’appareils, d’outils bureautiques, de meubles, d’appareils ménagers, d’ordinateurs, de composants de machines, de cannettes de boissons, ainsi que dans le secteur de la construction (conduits, gouttières, etc.). 

Les plaques sont habituellement utilisées pour fabriquer des pièces pour lesquelles la durabilité est plus importante que le poids, comme par exemple des pièces structurelles de navires, des cuves sous pression et des turbines.

De nombreux métaux sont laminés en feuilles parmi lesquels l’aluminium, l’acier, le laiton, l’étain, le cuivre, le nickel, le titane, mais aussi l’or, l’argent et le platine pour l’ornementation.

Les feuilles sont généralement stockées en rouleaux sous forme de bobines, qui sont ensuite découpées et formées.

Le formage des tôles recouvre des traitements tels que le pliage, le filage, l’emboutissage ou l’étirage, à l’aide de matrices ou d’outils de poinçonnage. Le formage est surtout réalisé sur des presses et les pièces sont formées entre deux matrices.

Le formage de tôle est un procédé direct :

1. Des ébauches individuelles sont découpées dans une feuille de métal. 

2. L’ébauche est placée dans la machine de formage entre les deux outils. 

3. La matrice supérieure, aussi appelée poinçon, est soumise à une pression élevée par la machine. Elle pousse la tôle sur l’outil correspondant inférieur, ce qui lui donne la forme désirée.

L’inconvénient est que le formage de la tôle est une opération nécessitant un niveau d’équipement très important. Le procédé requiert des machines et des outils spéciaux qui dépendent des pièces à produire. Comme illustré précédemment, l’outil, aussi appelé forme ou matrice, est la pièce de la machine qui agit pour déformer la feuille. 

Généralement, les fabricants produisent leurs outils de formage par usinage CNC ou ils les sous-traitent à des fournisseurs. Cet outillage initial est coûteux et demande un délai de réalisation important. 

L’innovation oblige les secteurs industriels utilisant ces composants en métal à produire des pièces de plus en plus compliquées nécessitant des moyens de fabrication plus agiles. À cet égard, un levier important pourrait être d’envisager d’autres techniques de fabrication d’outils.

Les pièces de grandes dimensions comme les panneaux de carrosserie automobile sont fabriquées avec un outillage lourd, mais la plupart des ateliers de métallurgie produisent également de petites pièces qui requièrent des pressions moindres. Remplacer ces outils en métal par des pièces en plastique imprimées en interne pour le prototypage ou la production de petites séries peut réduire les délais de développement et les coûts de production. 

Disposer de l’impression 3D en interne permet aux ingénieurs de prototyper des pièces en métal et de répéter plusieurs fois la conception en quelques heures,  ainsi que de créer des pièces aux géométries complexes, sans avoir recours à des fournisseurs externes. Des imprimantes de bureau professionnelles sont maintenant disponibles à des prix abordables. Elles sont faciles à mettre en œuvre et leur nombre peut être rapidement adapté à la demande.

Les fabricants utilisent déjà les résines polymères stéréolithographiques (SLA) pour remplacer le métal dans la fabrication de porte-pièces et de fixations, ou de pièces de rechange dans leurs usines. Pour les procédés tels que le moulage par injection ou le thermoformage, l’utilisation de moules de test en plastique est un moyen efficace de valider les modèles et de résoudre des problèmes compliqués de la démarche DFM avant de s’engager dans des achats de moules en métal coûteux. La réduction des coûts de matériaux en remplaçant le métal par le plastique est importante.

Regardez la vidéo pour voir comment Shane Wighton, ingénieur Formlabs, a formé une tôle pour produire une pièce de validation de concept à l’aide d’outils imprimés en 3D. 

La technique d’impression 3D SLA présente des propriétés intéressantes pour le formage de tôle. Caractérisées pour la grande précision et la finition de surface lisse des pièces produites, les imprimantes SLA peuvent fabriquer des outils avec d’excellentes caractéristiques d’alignement pour une meilleure répétabilité. Une large gamme de matériaux avec des propriétés mécaniques diverses permet de choisir la résine qui convient au cas précis et d’optimiser les résultats du formage. Les résines SLA sont isotropes et relativement stables à la charge par rapport à d’autres matériaux d’impression 3D. Utiliser des outils en plastique peut aussi permettre d’éviter la phase de polissage, la matrice en plastique ne laissant pas de traces sur la tôle comme le fait le métal. 

Le processus ressemble à celui du formage de tôles habituel. La seule différence réside dans la conception et l’impression de l’outil, constitué des matrices supérieure et inférieure. L’ébauche en métal est ensuite placée entre les matrices en plastique et formée à la presse hydraulique ou tout autre machine de formage. 

L’impression 3D en interne d’un outil pour le formage de tôles peut donner plus de flexibilité aux concepteurs et aux ingénieurs, en réduisant le délai de réalisation à une journée au lieu de quelques semaines. 

Pour des productions de gros volumes, prototyper l’outil en plastique permet d’en vérifier la conception avant de s’engager dans sa fabrication coûteuse en métal. Pour la production de petites séries, l’impression des matrices économiserait des centaines d’euros par rapport à la fabrication de la pièce par un sous-traitant. 

Voici les valeurs des coûts et des délais de réalisation des matrices nécessaires à la fabrication de la protection métallique d’une lame, rapportées dans le livre blanc :

Repenser la fabrication des outils est une solution efficace pour réduire les coûts en métallurgie. En plus de l’agilité que donne le prototypage préalable d’outils coûteux, les matrices en plastique imprimées en 3D peuvent se substituer efficacement et à moindre coût aux outils métalliques. En formage de tôles, les outils imprimés en 3D offrent de nombreuses opportunités pour des applications diverses, allant des supports pliés à des pièces embouties, des éléments de type persienne ou grille et des jeux de matrices standard pour presse plieuse. 

Dans le livre blanc, nous montrons comment nous avons réussi à fabriquer une protection métallique pour lame à l’aide de matrices en plastique imprimées en 3D. Il est possible de produire des douzaines de ces pièces avec un seul jeu de matrices et d’internaliser ainsi la production de petites séries. Téléchargez le livre blanc pour connaître les détails de cette étude de cas et de la méthode utilisée. Le webinaire donne des conseils de conception spécifiques et des exemples d’applications.