Nos motoneiges modernes sont constituées de centaines, voire de milliers de pièces. Les techniques de fabrication utilisées pour élaborer ces différents composants varient beaucoup selon le matériel utilisé, ou encore, en fonction des exigences particulières de chaque pièce. Le domaine des techniques de fabrication est un des plus dynamiques qui soient, avec des avancées technologiques qui repoussent nos capacités sur une base presque quotidienne et, ce faisant, transforment non seulement la façon dont nos bolides sont construits, mais de plus, ont un impact fondamental sur ce qui devient possible pour les produits finaux, c’est-à-dire nos motoneiges. Dans les faits, la transformation qu’ont subi les motoneiges depuis quelques années est en grande partie le produit de l’évolution qui a eu lieu sur les planchers des usines. Nous vous invitons donc à vous joindre à nous alors que nous tenterons de démystifier ce domaine crucial et vous familiariser avec certaines des techniques utilisées dans la fabrication de nos motoneiges. Alors, sans plus tarder…
L’histoire de la fabrication, mis à part la construction de grottes et d’outils basés sur la pierre, débute essentiellement avec la découverte des métaux. Plus particulièrement, on nous parle de la découverte du cuivre et de son utilisation durant la période chalcolithique (3 000 ans avant J.C.). La première technique utilisée fut le moulage (parfois appelée « coulage »), définie par nos amis chez Larousse comme « l’action de faire couler une matière en fusion, un liquide, ou action de couler, en parlant d'un liquide, d'une matière en fusion ». Plus précisément, il s’agit de faire fondre le métal et de le verser dans un moule vide façonné dans la forme souhaitée. Le métal est ensuite refroidi et extrait du moule, permettant ainsi de réaliser des objets qui nous sont utiles. Au fil des ans, la technologie du moulage a beaucoup évolué (et continue à le faire), nous permettant de produire des formes complexes qui seraient autrement difficiles ou dispendieuses à fabriquer. De plus, les techniques de moulage ne sont plus limitées aux métaux et sont couramment appliquées avec les plastiques, par exemple.
Notez que de façon générale, le coulage peut être subdivisé en deux grandes catégories, soit un coulage avec moule temporaire et non réutilisable, soit le coulage avec moule réutilisable.
En premier lieu, on parle d’un moule à usage unique fabriqué en sable, plastique, plâtre ou à l’aide de la technique dite à cire perdue. Parmi ces possibilités, celle du moule en sable est probablement la mieux connue et la plus populaire. Utilisée depuis des siècles, elle fait appel au sable, un matériau très résistant à la chaleur et formé de petits grains. Sa structure nous permet de lui donner la forme que l’on veut et ensuite de figer celle-ci à l’aide d’additifs tels que de l’argile, des liants chimiques ou des huiles polymérisées. Quant à la technique précise de fabrication, on doit, dans un premier temps, fabriquer un modèle en trois dimensions de la pièce désirée. Celui-ci est placé dans la portion supérieure du moule (celui-ci étant composé de deux morceaux) et on ajoute ensuite le sable afin de reproduire la forme de l’objet. Le sable est alors durci et les mêmes étapes sont reproduites dans la portion inférieure du moule. On crée ensuite une cavité pour le trou de coulée et on joint les deux portions. Ainsi, le moule est fin prêt pour la coulée du métal liquide. Une fois que le moulage est solidifié, le sable peut être retiré et recyclé de nombreuses fois.
Un exemple de sable utilisé pour le moulage. Disons qu'on est loin du sable de plage...
Cette technique comporte de nombreux avantages, notamment des coûts de production modiques, ainsi qu’énormément de flexibilité quand à la taille et la complexité des formes. En outre, en variant le type de sable utilisé, la majorité des métaux peuvent être moulés. Par contre, la finition des pièces est rugueuse et, selon l’application, peut nécessiter de l’usinage. De plus, les tolérances des pièces sont inférieures à celles constatées dans le cas de certaines autres techniques.
À la différence de la technique du moule à usage unique, le moulage à moule réutilisable, comme son nom l’indique, ne nécessite pas que le moule soit refait après chaque cycle de production. Dans cette application, les moules sont généralement fabriqués en acier ou en fonte ( ou encore en graphite dans le cas des fers et aciers ) et sont réutilisés pour de nombreux cycles de production. Cette technique se prête bien aux volumes de production élevés, les pièces ayant de bonnes tolérances et consistances.
La Yamaha Nytro M-TX 2012 était équipée d’un nouveau ski appelé MT9. Ce qui le distinguait était son procédé de fabrication, soit le moulage par soufflage ( ou moulage par injection ). Quant au procédé lui-même, il débute avec la formation d’un tube extrudé ou d’une forme préinjectée dans laquelle on injecte un gaz comprimé ( le plastique étant préalablement réchauffé ). Ceci a pour effet d’étirer le matériau qui se plaque contre les parois du moule pour prendre sa forme.
Un autre des éléments importants à considérer en matière de technique de fabrication est la technique de coulée utilisée, soit la méthode par laquelle le métal est déposé dans le moule. De façon générale, on parle de dépôt par gravité, vacuum, basse pression ou haute pression. Comme son nom l’indique, le moulage par gravité ne fait pas appel à une pression (positive ou négative) externe pour aider à déposer le métal liquide dans le moule. En raison de sa simplicité, celle-ci est la moins dispendieuse des options, bien qu’elle donne aussi les résultats les moins consistants, notamment en raison du risque de porosité qu’elle présente. Par contre, celle-ci est bien adaptée à l’aluminium, le magnésium, le cuivre, les alliages de zinc et les aciers.
Le remplissage sous vide (ou par vacuum) fait appel à une pression négative pour tirer le métal liquide (ou plutôt pour induire la pression atmosphérique à le pousser) à l’intérieur du moule. Contrairement au moulage par gravité, le métal est ici alimenté par la portion inférieure du moule. Plus complexe et dispendieuse, cette technique offre certains avantages, notamment la réduction de pertes et une meilleure uniformité du métal (les impuretés remontant à la surface en raison de leur légèreté, ainsi que la différence de pression assurant une meilleure distribution du métal). Enfin, le fait que la température du métal puisse être moins élevée est censé améliorer sa structure granulaire.
Passant d’une pression négative à positive, on fait parfois appel à une technique de remplissage par basse pression. Celle-ci est semblable à la méthode de remplissage sous vide en ce qui a trait à l’alimentation par le dessous du moule, sauf que dans ce cas-ci, on utilise une pression (au-delà de la pression atmosphérique) d’entre 5 à 15 lb/pi2 pour forcer le métal à monter un tube de transport pour entrer dans le moule. Une fois le moulage solidifié, on relâche la pression. Les avantages de cette technique sont semblables à celles de la méthode sous vide, soit une meilleure densité, une uniformité, une structure granulaire, des tolérances et une répétitivité supérieures, le tout en raison de la diminution de la turbulence (comparativement au dépôt par gravité).
Enfin, la technique de moulage sous haute pression fait appel à une haute pression pour forcer le métal dans des moules usinés. Celle-ci est la technique de prédilection lorsque des pièces de tailles petite à moyenne sont requises, avec une excellente finition et une constance dans les dimensions.
Certains métaux (et autres matériaux) produits par moulage sont fabriqués à l’aide d’une technique dite à coulée continue. Il s’agit de la technique au cours de laquelle le métal liquide est versé (par gravité) dans un moule qui est violemment refroidi. Ce refroidissement extrême fait en sorte qu’une coquille solide se forme autour de l'acier au contact des moules. Le produit est retiré par le bas des moules et déposé sur des rouleaux de guidage où il est solidifié à l'aide de jets d'eau. Il s’agit, en effet, d’un processus où le métal liquide entre d'un côté du moule pendant que de l'autre côté en sort un produit solide. Le métal solidifié est alors sectionné au moyen de ciseaux mécaniques ou d'une torche à chalumeau, selon son épaisseur. Cette technique sert à produire des produits semi-finis (dont des brames, des lopins, des billettes, entre autres) qui seront généralement retravaillés ou usinés par la suite.
Plus de 97 % de l'acier produit au Canada est transformé par coulée continue. Cette technique n’est pas limitée à l’acier toutefois, et est fréquemment utilisée pour le cuivre et l’aluminium.
La vitesse de refroidissement a un impact majeur sur la qualité des moulages. Plus précisément, celle-ci affecte les microstructures et les propriétés. De façon générale, une région qui est refroidie rapidement aura une structure à grain fin, alors qu’une autre refroidie plus lentement possèdera une structure à gros grain.
On pourrait vous pardonner si la mention du mot forgeage évoque pour vous le célèbre forgeron Cétautomatix des fameux contes d’Astérix le Gaulois. Après tout, qui parmi nous n’a pas plongé dans les eaux de ses souvenirs de jeunesse lorsque ce terme surgit en pleine discussion?
Mis à part les applications artisanales, le forgeage moderne se situe loin de cette notion du forgeron qui martèle un morceau d’acier incandescent.
Alors, si le forgeage moderne n’est pas fidèle à notre notion romantique, de quoi s’agit-il au juste? Comme toujours, débutons avec une définition pour nous éclairer. De façon simpliste et aux fins de notre discussion, le forgeage est une technique de fabrication sous laquelle un métal est mis en forme par l’utilisation de forces de compression localisées. Si par le passé cette force de compression localisée était fournie par un marteau et de « l’huile de bras », aujourd’hui, sans grande surprise, ce travail est effectué par des machines. Dans le contexte moderne, le forgeage consiste à former des pièces brutes par pression entre deux blocs portant en creux une préforme ou la forme exacte du produit à réaliser.
Le cycle de vie d’un vilebrequin de moteur 900 ACE par Rotax : l’acier en billette (à gauche) tel que livré chez le forgeur; le produit reçu par Rotax une fois forgé (au centre); et enfin, le produit final (à droite) après de nombreuses étapes d’usinage.
Le processus de forgeage est souvent classifié selon la température à laquelle le travail est accompli. On parle donc de forgeage à chaud, à mi-chaud et à froid. Dans les deux premiers cas, le métal est chauffé. Bien sûr, chaque procédé a ses avantages et désavantages. Par exemple, le forgeage à chaud offre un matriçage supérieur, alors que la forge à froid réduit l'oxydation tout en améliorant la précision dimensionnelle.
Les températures de forgeage à chaud sont de l'ordre de 1 250 °C pour un acier fer-carbone.
Lorsqu’on le compare au moulage, on note que le forgeage permet de réaliser des pièces qui ont généralement moins de porosité de surface, possèdent une meilleure résistance à la traction et à la fatigue de flexion, et sont plus malléables. En contrepartie, comme dans le cas du coulage, ce procédé ne permet pas d’obtenir des hauts degrés de précision, rendant cette technique inutilisable pour la production de pièces mécaniques nécessitant une forte précision dimensionnelle (sans usinage supplémentaire).
L’estampage est un autre type de forgeage, soit une technique par laquelle une feuille métallique est placée dans une presse à estamper pour produire des pièces. La presse, constituée d’une matrice jumelée à une presse hydraulique, déforme plastiquement (c’est-à-dire irréversiblement) le métal pour produire une pièce de la forme désirée.
Voilà un mot qui nous est généralement moins familier que les termes moulage ou forgeage, mais qui décrit un processus de production de plus en plus utilisé. Alors, qu’est-ce que l’extrusion? Il s’agit d’un procédé de fabrication par lequel un matériau compressé (avec une force allant de 500 à 75 000 tonnes) est contraint de traverser une filière (soit un outil très dur, percé d'au moins un trou) comportant la section de la pièce à obtenir. Par le procédé d’extrusion, on obtient un produit long de section transversale constante sur toute sa longueur. La forme des pièces produites est très précise et l’état des surfaces est excellent, ce qui permet souvent de les utiliser sans usinage complémentaire. L'extrusion s'applique à divers produits, notamment les métaux, les matières plastiques et les matériaux composites. Parmi les métaux, l’extrusion se prête particulièrement bien à l’aluminium, car sa formabilité permet d’obtenir des profilés de résistance structurale aux formes très élaborées qui répondent à des besoins spécifiques.
Voici une filière, telle qu’utilisée dans l’extrusion de l’aluminium.
L’extrusion se fait généralement à chaud (soit à une température où le matériau est encore solide mais plus mou) et, au moment où le profilé sort de la matrice d’extrusion, il se retrouve rapidement sous une unité de refroidissement. Selon le produit, on utilisera un jet d’eau, une brume, de l’air forcé ou une combinaison de ces derniers. Cette étape correspond à la trempe pour les alliages traitables par voie thermique. Par la suite, de nombreuses opérations peuvent s’appliquer (la coupe, le vieillissement artificiel, la peinture, l’anodisation…) selon les besoins des clients. Enfin, il est à noter que certaines utilisations font appel à l’extrusion à froid. Bien que cette technique nécessite un outillage plus robuste et des machines plus puissantes, la précision et l’état de surface obtenus sont bien meilleurs.
Le procédé d’extrusion est utilisé dans la production des marchepieds de nombreuses motoneiges modernes. Dans le cas de l’aluminium (comme c’est le cas ici), la mise en forme se fait généralement à chaud (c’est-à-dire à des températures d’environ 450 °C à 500 °C) par l’écoulement du métal d’une billette.
Souvent, les procédés énumérés ci-dessus ne constituent pas la fin des étapes de fabrication de pièces et de composants. Dans les faits, il arrive assez fréquemment que les fabricants aient également recours à de l’usinage afin d’obtenir les caractéristiques désirées.
L’usinage que subit une pièce ne fait pas uniquement référence au travail effectué par des outils de coupe. Par exemple, dans le cas présent, les deux dessous de piston sont identiques, sauf que celui de droite a été traité au jet de sable, ce qui le rend plus résistant à la fatigue grâce à l’élimination des bords aiguisés.
Voilà!
Eh oui! voilà notre survol des techniques de fabrication. Nous espérons que les informations présentées ont su vous intéresser et que vous avez pu approfondir vos connaissances en la matière. Surtout, nous espérons que cet article vous permettra de mieux comprendre les contextes et les nuances des termes utilisés quand vous les croiserez lors de vos futures lectures.
L’impression 3D
L’impression 3D, une innovation plutôt récente, a déjà commencé à faire sentir sa présence dans les processus de fabrication. Parmi les avantages offerts par cette technologie, on retrouve :
- la possibilité de produire des composants complexes en une seule pièce;
- la possibilité d’adapter et de peaufiner le design de pièces rapidement et en continu;
- la possibilité de faire produire des pièces localement, éliminant le besoin d’entreposer de vastes quantités;
- l’amélioration de la qualité des pièces;
- la possibilité de produire des pièces à moindre coût et dans des délais plus courts.
Alors que l’utilisation de l’impression 3D est encore à un stade initial, on peut s’attendre à ce que cette technologie devienne beaucoup plus répandue dans un avenir très rapproché.
L’an dernier, BMW a présenté un prototype spécial et unique de sa célèbre moto supersportive S1000RR, cette fois avec un châssis fabriqué à l’aide d’une imprimante 3D. Pour y arriver, le fabricant a utilisé une machine spéciale, d’une valeur de plus de 1,5 million de dollars, pour effectuer le travail sur une période de cinq jours. Quant au procédé utilisé, des lasers ont fait fondre de la poudre de métal en couches d’une épaisseur de seulement 50 microns, soit 50 millionièmes de mètre! Construit en trois pièces, sa forme plutôt unique a été conçue par ordinateur en tenant compte de toutes les forces agissant sur le châssis, et ce, tout en minimisant son poids. Évidemment trop dispendieux pour la production en série, le prototype offre sans aucun doute un bon aperçu de ce que le futur nous réserve.
L’arrivée des imprimantes 3D a créé tout un monde de possibilités en matière de moulage au sable. Aujourd’hui, de nombreux fabricants se tournent vers l’utilisation de ces imprimantes pour réaliser des moules qui sont beaucoup plus précis et rapides à fabriquer. Cette technologie contribue non seulement à réduire les coûts de production, mais permet également de profiter de cycles de développement nettement plus rapides que ce qui était possible par le passé.
Les pistons : coulés ou forgés?
La majorité des pistons que l’on retrouve dans nos véhicules de série sont de fabrication par coulage. La raison pour ceci est simple : il s’agit de la méthode la plus économique. Avant de crier au loup, il faut se rappeler que ceux-ci sont généralement très résistants et performants. Toutefois, certains fabricants (notamment dans le marché de rechange) optent plutôt pour des pistons forgés. Ceux-ci sont généralement plus légers et résistants. Toutefois, en raison du resserrement de la structure du grain dans le métal, le taux d’expansion est plus restreint, voire lent, exigeant donc que le pilote prévoit plus de temps pour le réchauffement du moteur.
Certains fabricants spécialisés offrent des pistons taillés de billette. Ce procédé est très dispendieux, mais permet des tolérances exceptionnelles et – fait non négligeable –, se prête bien au prototypage en vue de finaliser un design qui ira éventuellement en production.
Yamaha : un innovateur en matière de procédés de fabrication
Le fabricant Yamaha s’est lancé dans la production de motos en 1953. Depuis, au fil des ans, la société a innové dans de nombreuses industries, dont celles des motocyclettes, motoneiges, moteurs hors-bord et quad, entre autres. Ce qui est moins connu du public est le fait que le fabricant est aussi responsable de nombreuses avancées technologiques, notamment dans le domaine des technologies de fabrication. Certains diront que cela est peu surprenant, compte tenu qu’il s’agit d’une compagnie dont les ventes annuelles se résument à un nombre d’unités dans les sept chiffres et à des revenus, en 2017, excédant 19 milliards $ CAN. De toute évidence, on parle ici d’une énorme compagnie possédant des ressources d’ingénierie fort impressionnantes.
Pour revenir aux avancées, prenons à titre d’exemple le développement d’une technologie innovatrice pour la production de pistons forgés nommée « technologie de forgeage contrôlé ». Celle-ci consiste à chauffer l’alliage d’aluminium (sous forme de poudre) à une température précise, puis à le placer dans un moule à température contrôlée pour le forger sous pression dans la forme définitive du piston. Puisque ce procédé permet d’utiliser un alliage d’aluminium résistant qui n’a pas besoin d’être chauffé jusqu’à la fusion, l’alliage conserve ses caractéristiques originales dans la phase de solidification dans le moule. Ainsi, on peut fabriquer des pistons à paroi plus mince, ce qui réduit le poids et l’inertie des éléments en mouvement. Cette technologie, que l’on retrouve encore aujourd’hui dans les moteurs à haute performance du fabricant, a permis de réduire les coûts de production des pistons forgés, ouvrant la porte à leur utilisation dans des modèles de série.
Introduit pour la première fois sur sa célèbre coursière YZR500 (soit la version 0WJ1 de 1996), les pistons forgés à base de poudre métallique ont permis de réduire le poids tout en améliorant la résistance et la durabilité. Notez que cette technologie a été introduite sur un modèle de série, soit la YZF1000, à peine quelques mois plus tard, avant d’être brevetée peu après.
Une autre innovation est sa technologie de Remplissage Contrôlé d’aluminium coulé sous pression. Cette méthode de coulée, une exclusivité du fabricant, est un procédé qui permet la production de masse des pièces moulées en fonte d'aluminium de haute qualité avec 20 % de moins de bulles d'air que les méthodes conventionnelles. Comment? Grâce à des facteurs de contrôle tels que le degré de vide dans la matrice, la température de la filière et la vitesse d'injection de l'aluminium fondu dans la matrice. Ce procédé de coulée permet d'obtenir un haut niveau de conformité de l'aluminium solidifié et réduit au minimum les impuretés, et ce, tout en rendant possible de couler des pièces présentant des épaisseurs variables dans leurs différentes sections. Il permet également de mouler des pièces plus complexes, contribuant ainsi à réduire le nombre de pièces nécessaires dans certains assemblages. Cette technologie a été utilisée pour la première fois sur la RX-1 2003.
Le châssis Deltabox 3, lancé sur la Apex 2011, est la troisième génération du châssis Deltabox, la première génération ayant été lancée sur la célèbre RX-1. L’utilisation de la technologie de Remplissage Contrôlé d’aluminium coulé sous pression est maintenant très répandue dans la production des produits et véhicules Yamaha.