Procédés de fabrication

En clair. Fabrication additive, soustractive, formage : panorama des procédés industriels.

Ce qu'on te demande au bac STI2D : maîtriser le vocabulaire de « Procédés de fabrication », savoir refaire les calculs ou raisonnements du cours et les appliquer à un cas concret.

Conseil de révision. Relis d'abord l'encadré, puis fais le quiz : si tu bloques, reprends la partie correspondante du cours.

Introduction

Un procédé de fabrication transforme la matière première en pièce finale selon la géométrie et les propriétés visées. Le choix dépend du matériau, de la série, de la précision et des exigences environnementales.

Grandes familles

1. Enlèvement de matière (usinage)

• Tournage, fraisage, perçage, alésage, rectification.
• MOCN 3-5 axes, précision 0,01-0,1 mm.
• Rendement matière faible (copeaux) mais grande précision.

2. Déformation

• Laminage, forgeage, pliage, emboutissage, filage, extrusion.
• Chaleur (à chaud > $T_{rec}$) ou à froid.
• Économique en grande série, respect fibres du métal.

3. Moulage

• Sable (mécanique lourde), coquille (aluminium série), cire perdue (bijoux, aubes turbine), injection plastique, injection sous pression métal (die casting).
• Grande série, formes complexes.

4. Assemblage

• Soudage : MIG/MAG, TIG, laser, résistance, friction (FSW).
• Vissage, rivetage, collage structural, agrafage.
• Assemblage démontable pour la réparabilité (loi AGEC).

5. Fabrication additive

• FDM, SLA, SLS, SLM, DED : voir chapitre projet.
• Avantages : formes complexes, personnalisation, prototypage.
• Limites : coût, cadence, finition surface.

Paramètres clés

• Cadence : pièces/h ou pièces/jour.
• Précision : IT (tolérances ISO 286), Ra (rugosité).
• Coût unitaire : matière + main-d'œuvre + amortissement outillage.
• Empreinte carbone : machines + consommation matière + rebuts.

Précision et tolérances

• IT 5-7 : rectification, TIG précis.
• IT 8-11 : fraisage, tournage.
• IT 12+ : moulage sable.
• Ra 0,4 µm (miroir) → Ra 25 µm (brut de coulée).

Économie industrielle

• Petite série : usinage, additive, artisanat.
• Moyenne série : injection, moulage coquille.
• Grande série : emboutissage, extrusion, injection.
• Point mort où série justifie l'outillage : formule seuil $N^* = C_{outillage}/(P_{procédé1}-P_{procédé2})$.

Enjeux environnementaux

• Coefficient de rendement matière (BuyToFly aéro : 1,05 idéal).
• Recyclage des chutes en boucle (aluminium, acier).
• Fluides de coupe biodégradables.
• Consommation énergie : four à induction 60 % vs four gaz 40 % de rendement.

Innovations 4.0

• Jumeau numérique de la machine.
• Fabrication hybride additive + usinage.
• IIoT : capteurs sur machine, maintenance prédictive.
• Robotisation collaborative (cobots).

Exemple chiffré 1 — seuil de rentabilité entre deux procédés

Carter en PA6, série envisagée.

$9\,800 + 1{,}80n = 24n \Rightarrow n = \frac{9\,800}{22{,}2} \approx 442\ \text{pièces}$

En dessous de 442 pièces, la fabrication additive est plus économique ; au-delà, l'injection s'impose. C'est le raisonnement type demandé en épreuve.

Exemple chiffré 2 — temps d'usinage

Tournage d'un arbre acier Ø40 sur 200 mm, $V_c = 180$ m/min, avance $f = 0{,}2$ mm/tr :

$N = \frac{1\,000 \times 180}{\pi \times 40} = 1\,433\ \text{tr/min} \quad ; \quad t = \frac{L}{fN} = \frac{200}{0{,}2 \times 1\,433} = 0{,}70\ \text{min}$

Pour 5 passes : 3,5 min de coupe, ~6 min avec les approches. À 55 €/h machine, 0,55 € de coût machine par pièce.

Exemple chiffré 3 — matière première et chutes

Pièce finie 0,8 kg obtenue par usinage dans un lopin de 2,6 kg : rendement matière $0{,}8/2{,}6 = 31\ \%$ (buy-to-fly ratio 3,25). En forge de précision, le lopin descend à 1,1 kg (73 %). Sur 5 000 pièces alu à 4 €/kg, l'économie matière atteint $5\,000 \times 1{,}5 \times 4 = 30\,000$ €, plus l'énergie évitée (155 MJ/kg d'alu primaire).

Exemple chiffré 4 — tolérances accessibles

Exiger IT7 sur une pièce moulée impose une reprise en usinage : chaque tolérance serrée doit être justifiée fonctionnellement.

Points-clés à retenir

• Le choix d'un procédé se démontre par un calcul de seuil de rentabilité, jamais par habitude.
• Tolérance et état de surface sont dictés par le procédé : on ne spécifie serré que là où la fonction l'exige.
• Le rendement matière est un critère à la fois économique et environnemental.