Connaissances de base du traitement de la tôle – Avantages, inconvénients et méthodes de réduction des coûts

Points clés du traitement de la tôle

En tôlerie, différentes méthodes permettent d'appliquer une force aux tôles pour leur donner la forme souhaitée. Le principe repose sur les propriétés des matériaux métalliques. Lorsqu'une charge est appliquée à un métal, la distance entre ses atomes se modifie, et le matériau se déforme sous l'effet de contraintes. Dès lors, une force interne tend à ramener le métal à son état initial. Ainsi, pour une faible charge, sa suppression permet au métal de retrouver sa forme initiale (déformation élastique). En revanche, si la charge augmente continuellement au-delà d'un certain seuil (limite d'élasticité), le métal ne peut plus reprendre sa forme initiale (déformation plastique). Si la charge continue d'augmenter, le métal finira par se rompre.
Dans le traitement de la tôle, il est important de maîtriser la technique d'ajustement en cours de traitement afin d'obtenir la forme cible par déformation plastique.

Procédures de traitement de la tôle

Il existe environ huit étapes entre la transformation de la tôle et l'expédition du produit. Examinons chaque étape en détail.

1. Développement / Programmation

Les dessins techniques sont souvent réalisés à l'aide de logiciels de CAO 3D, mais comme la transformation de la tôle commence à partir d'une feuille plane, il est nécessaire de convertir le modèle 3D en un patron 2D à l'aide d'un logiciel de CAO ou d'un logiciel dédié. Une fois le patron de développement terminé, on procède à l'imbrication des pièces afin de les disposer efficacement sur une feuille de format standard et de minimiser les chutes, tout en générant simultanément les programmes d'usinage.

2. Découpe / Moulage

Ce procédé permet de découper le contour extérieur et les trous intérieurs des tôles métalliques. Les principaux équipements utilisés sont les machines de découpe laser et les poinçonneuses à tourelle.
De manière générale, les machines de découpe laser excellent dans la découpe à grande vitesse des contours extérieurs et des grands trous, tandis que les presses à poinçonner à tourelle sont avantageuses pour le traitement de nombreux trous et la réalisation d'opérations de formage.
Il existe également une machine combinée laser-poinçonneuse qui réunit les avantages des deux procédés. Chaque fabricant de tôlerie possédant un équipement différent, il est préférable de choisir l'usine en fonction des machines dont elle dispose lors de la passation d'une commande.

3. Ébavurage

Quel que soit le procédé utilisé précédemment, il subsistera des bavures de découpe laser (laitier), de poinçonnage ou des éclaboussures. L'ébavurage permet de les éliminer à l'aide de meuleuses manuelles, de limes ou de machines d'ébavurage automatiques équipées de brosses abrasives rotatives.
En usinage de tôlerie, il est difficile d'obtenir un contrôle dimensionnel aussi précis qu'en usinage, avec des valeurs telles que C0,2 ou R0,2. Par conséquent, des indications sur les plans comme « absence de bavures » peuvent être ambiguës. Une indication plus claire serait : « Ébavurage pour éviter les coupures ». Lors de la passation d'une commande, il est recommandé de confirmer le niveau d'ébavurage acceptable auprès du fabricant.

4. Flexion

Le procédé général de pliage dans la fabrication de tôles consiste à utiliser une presse plieuse équipée de moules supérieurs (poinçon) et inférieurs (matrice) pour appliquer une pression sur la tôle découpée et la plier à un angle spécifique.
L'angle de pliage pouvant varier selon le lot de matériau et le sens de laminage, des ajustements précis sont nécessaires à chaque étape, ce qui complexifie le processus. Il s'agit néanmoins d'une étape cruciale, car la précision du pliage influe grandement sur la facilité de soudage et l'aspect final.
La « presse plieuse » est parfois appelée « cintreuse » ou « machine à plier », mais tous ces termes désignent le même équipement.

5. Soudage

Le soudage est un procédé d'assemblage des métaux par fusion à chaud, suivie de leur solidification par refroidissement. En tôlerie, le soudage TIG et le soudage laser sont les principales méthodes.
Le soudage TIG (également appelé soudage à l'arc sous argon) utilise une électrode de tungstène et l'argon comme gaz de protection. Il peut inclure des baguettes d'apport pour le rechargement, mais comme il génère une forte chaleur, des déformations sont susceptibles de se produire et le résultat dépend fortement du savoir-faire de l'opérateur.
Le soudage laser, quant à lui, supprime les déformations thermiques et permet des procédés standardisés. Cependant, étant généralement basé sur le soudage autogène, il est difficile à mettre en œuvre pour les pièces nécessitant un assemblage par rechargement et peut exiger des méthodes différentes.

6. Finition (y compris le traitement de surface)

Le processus de finition dans la fabrication de tôles comprend l'élimination des déformations thermiques causées par le soudage, le meulage des cordons de soudure, l'élimination des marques de brûlure par polissage électrolytique et le polissage ou le lustrage de la surface.

7. Assemblage

Cette étape consiste à assembler plusieurs pièces à l'aide de fixations telles que des boulons, des écrous et des rivets. Elle est souvent utilisée lorsque la résistance du soudage n'est pas requise ou lorsqu'un démontage ultérieur sera nécessaire. Les travaux d'assemblage, également appelés « ajustage » ou « montage », couvrent un large éventail d'opérations, allant de l'assemblage de petites pièces à l'assemblage d'unités de taille moyenne et à l'assemblage final de machines ou d'équipements complets.

8. Inspection

Avant expédition, les produits en tôle font l'objet d'un contrôle dimensionnel et visuel.
Le contrôle dimensionnel utilise principalement des pieds à coulisse, des règles et des rapporteurs pour vérifier si les dimensions, les positions des trous et les tolérances correspondent aux dessins.
L’inspection visuelle vérifie la présence de rayures et de bavures, et certaines usines utilisent également des instruments de mesure d’images ou des machines à mesurer tridimensionnelles (MMT).

Principaux équipements utilisés dans le traitement de la tôle

• Machine de découpe laser
  Utilise des faisceaux laser de haute puissance pour faire fondre localement le métal, puis projette le métal en fusion à l'aide de gaz pour la découpe. Idéal pour la découpe rapide de longs périmètres ou de grands trous. Cependant, lorsqu'il y a de nombreux trous, le nombre d'opérations de perçage augmente, ce qui allonge le temps de travail. Grâce aux récents progrès réalisés dans le domaine des lasers de haute puissance, même les opérations de perçage sont devenues plus rapides.

• Presse à poinçonner à tourelle
  Dotée de plusieurs petits poinçons montés sur une tourelle rotative, cette machine perfore les tôles métalliques à grande vitesse. Adaptée aux pièces multi-perforées, elle peut réaliser des opérations de formage telles que le taraudage, le fraisage et le formage de persiennes. Cependant, la découpe des contours extérieurs nécessite de nombreux poinçons et est fastidieuse.

• Machine combinée de poinçonnage laser
  Ce procédé combine les deux technologies, permettant le découpage et le formage en une seule opération. Par exemple, la découpe laser réalise les grands trous et les contours extérieurs, tandis que le poinçonnage permet de réaliser les trous pour les poignées et le formage. Cela minimise les erreurs d'alignement grâce à un nombre réduit d'opérations.

• Machine d'ébavurage
  Les machines d'ébavurage modernes utilisent des convoyeurs à bande pour maintenir les pièces et des brosses abrasives rotatives pour éliminer uniformément les bavures, remplaçant ainsi les méthodes manuelles traditionnelles.

• Presse plieuse
  La presse plieuse applique la pression du poinçon supérieur sur la matrice inférieure pour plier le métal. Il existe des modèles mécaniques, hydrauliques et à servomoteur, les versions à commande numérique étant les plus courantes aujourd'hui. Le déplacement automatisé de la butée arrière garantit une grande précision. La force de frappe et la longueur de travail déterminent le matériau et l'épaisseur admissibles.

• Machine de soudage laser
  Le soudage laser produit des soudures profondes et étroites avec des zones affectées thermiquement minimales, réduisant ainsi les déformations thermiques. Les premiers lasers YAG étaient reconnus pour leur faible déformation et leur bon rendu esthétique, mais les soudeuses laser à fibre plus récentes (depuis environ 2015) ont permis d'atteindre une résistance supérieure et se sont largement répandues. Le soudage laser est particulièrement adapté aux tôles fines et facile à mettre en œuvre, même par des opérateurs peu expérimentés.

• Machine à souder TIG
  Le soudage TIG est un procédé de soudage à l'arc couramment utilisé en tôlerie mécanique. Il offre une excellente étanchéité et une grande résistance des joints, mais génère un apport de chaleur important et des déformations thermiques. Les techniques permettant de minimiser ou de corriger ces déformations exigent un savoir-faire pointu ; c'est pourquoi le soudage TIG est souvent qualifié de « savoir-faire artisanal ».

Matériaux et traitements de surface utilisés dans la transformation des tôles

Les matériaux courants comprennent l'acier inoxydable, l'acier au carbone (SPCC, SECC) et les alliages d'aluminium.
L'épaisseur typique varie de 0,1 mm à 22 mm. Le choix du matériau doit dépendre de la destination du produit et de ses caractéristiques de transformation.

Avantages et inconvénients du traitement de la tôle

Avantages :
Le principal avantage du travail de la tôle réside dans son adaptation aux petites séries et à la production de pièces variées. L'emboutissage, méthode de formage des matières plastiques par excellence, est idéal pour la production en série de pièces identiques, mais nécessite des moules coûteux pour chaque produit, ce qui le rend onéreux pour les petites séries.
À l'inverse, le travail de la tôle utilise des équipements et des outillages polyvalents pour toutes les étapes, telles que le découpage, le pliage et le soudage. Il permet des modifications de conception flexibles et peut produire des formes complexes à partir d'une seule tôle grâce à des opérations combinées.

Inconvénients :
La production en grande série, qui consiste à fabriquer les pièces une à une, prend du temps. De plus, de nombreux procédés, comme le soudage, reposent sur le savoir-faire de l'artisan, ce qui les rend inadaptés à la production à grande échelle.

Méthodes de réduction des coûts dans le traitement de la tôle

Voici quatre façons de réduire les coûts de fabrication de tôles :

1. Commander en fonction de l'expertise du fabricant
   Bien que toutes soient qualifiées de « fabricants de tôlerie », chaque entreprise possède un équipement différent. Il est possible de réduire les coûts en adaptant la tâche aux capacités du fabricant. Par exemple, la découpe laser excelle dans le contournage et le perçage de grands trous, tandis que les poinçonneuses à tourelle sont idéales pour de nombreux types de perçages et d'opérations de formage. Commander en conséquence permet de réduire considérablement les coûts de production.

2. Remplacez le soudage par le pliage lorsque cela est possible.
   Comme indiqué dans la section sur le soudage TIG, le soudage exige une grande expertise et s'avère généralement coûteux. Par exemple, au lieu de souder deux plaques à 90°, les plier peut être moins onéreux.
   Le rivetage est une autre option permettant de réduire les coûts, mais il doit être précisé dans les plans comme « aucune soudure requise ».

3. Examen des exigences d'ébavurage
   Spécifier « aucune bavure sur tout le périmètre » dans les plans augmente considérablement les coûts de main-d'œuvre et d'usinage. En limitant l'ébavurage aux seules zones nécessaires, les usines peuvent réduire les délais et les coûts de production. Discuter avec le fabricant des tolérances réalistes et des exigences de qualité peut permettre de réaliser des économies.

4. Examiner la nécessité du soudage par rechargement
   Le soudage par superposition est souvent nécessaire pour garantir la résistance, mais le soudage laser à fibre moderne permet d'obtenir une résistance suffisante sans cette étape. Envisager un autre procédé, plutôt que d'insister sur le soudage par superposition, permet de réduire les coûts tout en préservant la qualité.

Le travail de la tôle est une technologie de fabrication flexible, adaptée aux petites séries et à la production diversifiée. Cependant, comme il repose encore largement sur le savoir-faire artisanal et l'intuition, il demeure un domaine techniquement complexe.
Les coûts de fabrication varient en fonction des équipements et des méthodes, il est donc essentiel de comprendre les caractéristiques du traitement de la tôle pour une conception efficace.