Leçon 4.7DéformerChapitre 4 · Formage de tôles et de tubes

Formage superplastique

Un gaz chaud souffle une tôle superplastique dans une seule matrice

Le formage superplastique (SPF) chauffe une tôle spéciale à grains fins jusqu'à ce qu'elle puisse s'étirer de plusieurs fois sa longueur, comme un chewing-gum tiède. La pression d'un gaz la souffle alors lentement dans une matrice à une face (un moule en acier profilé). Il transforme une tôle en panneaux profonds et complexes, comme des portes d'avion et des carrosseries de voitures de sport, qui exigeraient sinon de nombreuses pièces.

Photo : San Diego Air & Space Museum Archives, Public domain, via Wikimedia Commons

formage superplastique · serrer et chauffer, souffler le gaz, ouvrir et retirerLisez les schémas de gauche à droite ; les numéros cerclés correspondent aux étapes ci-dessous.

Comment ça marche

Serrer la tôle. Une tôle plate en alliage superplastique est posée sur une matrice avec une empreinte (la forme creuse de la pièce). Un couvercle étanche presse son bord et réalise une étanchéité au gaz.
Tout chauffer. Des plateaux chauffants (plaques de presse chaudes) portent la matrice et la tôle à la température de formage : environ 450–520 °C pour l'aluminium 5083, environ 900 °C pour le titane Ti-6Al-4V.
Souffler le gaz. De l'argon (un gaz inerte qui empêche le métal chaud de réagir avec l'air) arrive au-dessus de la tôle à basse pression, généralement environ 10–30 bar.
La laisser s'étirer lentement. La tôle gonfle comme une bulle de savon pendant que l'air en dessous s'échappe par des évents. La pression monte progressivement : le métal s'étire donc lentement, en quelques minutes à quelques heures, sans se déchirer. Ses minuscules grains (les cristaux qui composent un métal) glissent les uns sur les autres, ce qui permet des allongements de plusieurs centaines de pour cent.
Remplir la matrice, puis ouvrir. La tôle rejoint les parois de l'empreinte et atteint les coins en dernier : ce sont donc les coins qui finissent les plus minces. La presse s'ouvre, la pièce chaude est sortie, et sa collerette (le bord serré) est détourée.

Chiffres clés

Matériaux: Alliages superplastiques à grains fins : titane Ti-6Al-4V, aluminium 5083 et certains alliages aluminium-lithium, certains aciers inoxydables
Pièces typiques: Portes d'avion, panneaux d'accès et conduits, panneaux de carrosserie en petite série, structures creuses raidies
Taille de pièce: De petits supports à des panneaux de quelques mètres de long
Précision: Proche de la forme de la matrice, généralement quelques dixièmes de millimètre côté matrice, avec presque aucun retour élastique
État de surface: Lisse côté matrice ; le titane exige un nettoyage pour retirer une peau de surface dure, riche en oxygène
Taille de série adaptée: Petites à moyennes séries : de centaines à quelques milliers de pièces par an
Coût d'outillage et de machine: Une seule matrice, en acier réfractaire ou en céramique, moins chère que des matrices d'emboutissage appariées ; la presse chauffante est un gros investissement
Vitesse: Lent : environ 15 minutes à quelques heures par pièce, plus vite pour l'aluminium que pour le titane

Atouts et limites

Atouts

Formes profondes et complexes d'une seule pièce, remplaçant des assemblages de nombreuses pièces
Une seule matrice suffit : l'outillage coûte moins cher
Presque pas de retour élastique : les formes sont précises
Avec le soudage par diffusion (tôles fusionnées sous chaleur et pression), permet de faire des structures creuses raidies

Limites

Cycles lents : de quelques minutes à quelques heures par pièce
Exige des alliages spéciaux à grains fins, plus chers
Épaisseur inégale : les coins et les poches profondes s'amincissent
Procédé chaud et gourmand en énergie ; le titane exige un gaz protecteur et un nettoyage de surface

Où on l'utilise

Structures d'avionsPortes, panneaux d'accès et conduits en titane et en aluminium
Moteurs d'avionAubes de soufflante creuses en titane, fabriquées en combinant SPF et soudage par diffusion
AutomobilePanneaux de carrosserie en aluminium pour voitures de sport et de luxe en petite série
ArchitecturePanneaux de façade et de bardage courbes en aluminium

Comment le reconnaître

Des formes profondes, lisses et aux bords doux, faites d'une seule tôle, sans soudures ni joints.
Une face nette et lisse (côté matrice) ; l'autre face montre des détails plus doux et arrondis.
Une épaisseur qui varie : plus mince dans les coins et les poches profondes, visible sur une tranche coupée.
Emboutit plus profond qu'une presse ordinaire ne le pourrait, toujours avec de généreux rayons.

À comparer avec

Emboutissage et emboutissage profond4.2à froid, rapide et avec deux matrices appariées, mais les formes doivent être moins profondes et les matrices coûtent plus cher.Hydroformage4.5pression de fluide contre une seule matrice aussi, mais à froid, avec de l'eau ou de l'huile à bien plus haute pression.Thermoformage2.4le cousin pour le plastique : une feuille de plastique chauffée tirée sur un moule par le vide ou la pression d'air.

À regarder

superformusa · La méthode de base : le gaz souffle la tôle chaude dans une empreinte de matrice femelle

superformusa · Une variante : la tôle est d'abord soufflée en bulle, puis façonnée sur un outil mâle

superformuk · De vrais panneaux de carrosserie qui sortent de production

David Kirkham · Images d'atelier d'une pièce formée qui sort de la presse chaude

Voir de vraies photos

Wikipédia : Superplastic forming — principe, températures et exemples aéronautiques ; surtout du texte
Wikipédia : Superplasticity — la science des matériaux derrière l'étirement extrême
Recherche de photos sur Wikimedia Commons

À retenir

Les alliages superplastiques s'étirent de plusieurs centaines de pour cent à chaud et tirés lentement.
La pression du gaz pousse la tôle dans une seule matrice à une face : l'outillage reste simple.
Idéal pour les panneaux profonds, complexes et d'une seule pièce ; en contrepartie, cycles lents et coins minces.