Fabrication metal

Les métaux sont des matériaux opaques qui paraissent brillants lorsqu'ils sont polis. Ils sont de bons conducteurs de chaleur et d'électricité et ont un point de fusion relativement élevé.

La plupart sont généralement durs, mais suffisamment souples pour être façonnés par martelage ou pression sans se briser ni se fissurer.

Ils sont suffisamment polyvalents pour être fusionnés ou mélangés et peuvent être façonnés en grands blocs et feuilles solides ou étirés en longs fils fins (une propriété connue sous le nom de ductilité).

Environ 95 des 118 éléments du tableau périodique sont des métaux, dont 80 sont couramment utilisés dans la fabrication.

Les métaux se trouvent dans des minerais, généralement présents dans les roches, partout dans la croûte terrestre. Ils peuvent être découverts sous une forme pure, comme l'aluminium, le cuivre et l'or, ou mélangés à d'autres éléments qu'il faudra séparer. 

La méthode d'extraction et de séparation dépendra du métal et des impuretés présentes. La plupart impliquent une combinaison de méthodes :

Exploitation minière - Une fois le métal ou le minerai localisé, il est extrait du sol à l'aide d'explosifs ou d'excavatrices. 

Concassage et broyage - De puissants concasseurs et broyeurs mécaniques pulvérisent les roches en une fine poudre pour faciliter l'extraction des métaux. 

Extraction - Diverses techniques sont utilisées pour séparer le métal ou le minerai des autres minéraux et des impuretés. Elles comprennent le mélange avec de l'eau, la dissolution du minerai avec des solvants et l'utilisation d'aimants.

Raffinage - Les impuretés restantes sont séparées à l'aide de méthodes plus complexes. Il s'agit par exemple de la fusion, qui utilise la chaleur et un agent chimique, et de l'électrolyse, qui utilise un acide et de l'électricité. Le résultat est une forme plus pure du métal, mais il peut encore contenir des impuretés.

Coulée - Les métaux peuvent être transformés et/ou combinés avec d'autres éléments pour former des alliages. Cela se fait généralement lorsque les éléments sont sous forme liquide. Une fois le métal final obtenu, ce mélange fondu sera coulé dans des moules ou extrudé mécaniquement sous diverses formes.

Les plus courantes sont les feuilles, les billettes, les tiges, les tubes, les plaques, les barres et les fils. Ceux-ci sont ensuite découpés en différentes formes et tailles en fonction de l'utilisation finale prévue et expédiés aux fabricants pour être transformés en d'innombrables produits.

• L'aluminium est un métal doux, non magnétique, ductile et léger qui est extrêmement résistant à la corrosion. C'est le deuxième métal le plus produit après le fer. L'aluminium et ses alliages sont essentiels aux industries de l'aérospatiale, du transport et de la construction, et ont de nombreuses autres utilisations allant des récipients de boissons aux lignes de transmission électrique.
• Le cobalt est un métal dur et brillant utilisé depuis des siècles dans les bijoux, les peintures et pour ajouter une teinte bleue distinctive au verre. Aujourd'hui, le cobalt est principalement utilisé pour créer des alliages de haute performance qui sont solides, magnétiques et durables. Il est également utilisé dans la production de piles, de catalyseurs et de pigments, ainsi que dans les radio-isotopes.
• Le cuivre est un métal mou, malléable et ductile. Sa principale utilisation industrielle est celle de conducteur de chaleur et d'électricité. Le cuivre est également utilisé dans les bâtiments, principalement pour les toitures, et comme composé en tant que pigments, agents antibactériens, fongicides et agents de préservation du bois.
• L'or est un métal précieux qui est dense, malléable et ductile. Sa principale utilisation industrielle est la fabrication de contacts et de connecteurs électriques. L'or est également utilisé pour le blindage infrarouge, la production de verre coloré, la dorure à la feuille et la restauration des dents, et il est souvent allié pour être utilisé en bijouterie.
• Le fer est l'un des éléments les plus courants sur Terre et c'est donc le métal le moins cher. Près de 90 % de tout le métal raffiné aujourd'hui est du fer, principalement pour fabriquer l'acier allié et les structures de génie civil. Le fer est très sensible à l'oxydation (rouille) lorsqu'il entre en contact avec l'oxygène. C'est un minéral essentiel à la santé de tous les êtres vivants et un corps humain adulte contient environ 4 grammes de fer.
• Le molybdène existe dans différents états d'oxydation dans les minéraux. Comme il forme rapidement des carbures durs et stables dans les alliages, la majeure partie de la production mondiale de molybdène est utilisée dans les alliages d'acier. On le trouve couramment dans l'acier de construction, l'acier inoxydable, les produits chimiques, les aciers à outils et la fonte. À l'état pur, il est également utilisé comme engrais, en imagerie médicale et comme moyen de détecter la pollution dans les centrales électriques.
• Le nickel est un métal dur, ductile et principalement un alliage. Il est principalement utilisé dans les aciers au nickel et les fontes au nickel en raison de sa résistance à la traction et de sa ténacité. Le nickel est également utilisé dans les pièces de monnaie, les batteries rechargeables, pour le placage (lorsqu'une fine couche de métal est ajoutée à l'extérieur d'un matériau) et comme teinte verte dans le verre.  
• Le niobium est un métal mou et ductile utilisé principalement dans les alliages, notamment l'acier spécial utilisé dans les gazoducs. C'est également un superalliage important pour les moteurs à réaction et les moteurs de fusée en raison de sa stabilité thermique. Parmi ses autres applications, citons le soudage, l'électronique, l'optique et la bijouterie.
• Le platine est un métal précieux dense, malléable et ductile. C'est l'un des métaux les moins réactifs et très résistant à la corrosion, même à haute température. Il est utilisé dans les convertisseurs catalytiques, les équipements de laboratoire, les contacts électriques et les électrodes, les équipements dentaires et les bijoux.
• L'argent est un métal précieux mou qui présente la conductivité électrique et thermique et la réflectivité les plus élevées de tous les métaux. Il est utilisé dans les panneaux solaires, la filtration de l'eau, la vaisselle, les ornements et les bijoux. Les composés d'argent sont utilisés dans la photographie, les rayons X, les désinfectants et les instruments médicaux. Dans un contexte industriel, l'argent est utilisé pour produire des contacts et des conducteurs électriques, des miroirs spécialisés, des revêtements de fenêtres et comme catalyseur pour les réactions chimiques.
• Le tantale est un métal rare, inerte, dur et très résistant à la corrosion. Il est utilisé pour produire des alliages destinés aux composants des moteurs à réaction, aux équipements de traitement chimique et aux réacteurs nucléaires. Les condensateurs au tantale sont présents dans les équipements électroniques tels que les téléphones mobiles, les consoles de jeux vidéo et les ordinateurs.
• Le titane est l'un des métaux les plus solides et les plus chers. Les alliages de titane sont utilisés par les industries aérospatiale, automobile et maritime pour leurs propriétés de légèreté et de résistance. Les industries chimique et pétrochimique l'utilisent pour produire des équipements de traitement en raison de sa grande résistance à la corrosion. On le trouve également dans les articles de sport et les lunettes, et les oxydes de titane sont couramment utilisés pour les pigments, les additifs et les revêtements. 
• Le tungstène est un métal rare très stable que l'on trouve à l'état naturel sur Terre, presque exclusivement dans des composés chimiques, et dont le point de fusion est le plus élevé de tous les éléments. Il est principalement utilisé pour produire des matériaux durs, notamment le carbure de tungstène, ainsi que dans la production d'électronique et dans les alliages et l'acier.
• Le zinc est un métal dur et cassant qui est un minéral essentiel à la santé de tous les êtres vivants. L'une de ses principales utilisations est le placage du fer (galvanisation à chaud) en raison de sa résistance à la corrosion. Il est également utilisé dans les piles électriques et constitue un alliage courant du laiton.
• Le zirconium est un métal mou, ductile et malléable qui est solide à température ambiante, bien qu'il soit dur et cassant à des puretés moindres. Il est très résistant à la corrosion par les alcalis, les acides, l'eau salée et d'autres agents. En tant que métal, le zirconium est utilisé dans les industries nucléaire et aérospatiale, et ses isotopes sont utilisés en imagerie médicale. En tant que composé, il est utilisé dans les applications à haute température et biomédicales.

The properties of pure metals can be enhanced by mixing them with other metals or elements to make alloys.

• Brass is an alloy of copper and zinc that is frequently used in musical instruments because of its acoustic properties and ductility. It is also used in a wide range of applications that seek a less expensive substitute for precious metals.
• Bronze is an alloy composed mainly of copper and about 12% tin, mixed with other metals and non-metals. Common applications include coins and medals, sculptures, musical instruments, bearings, electrical connectors and springs.
• Cast iron is a group of iron-carbon alloys with a carbon content of more than 2%. Although cast iron tends to be brittle, its relatively low melting point, good flowability, castability, machinability and resistance to deformation and wear make it a common engineering material. Applications include pipes, structures, machinery and automotive parts. It also has a high resistance to oxidation.
• Cast steel is made by melting wrought (hammered) iron with charcoal. It is similar to cast iron but contains much less carbon, between 0.1 and 0.5%. Cast steel is more difficult to cast and shrinks more than cast iron, requiring a more thorough inspection process.
• Ferrous alloys are iron-based alloys used in the production of steel, iron and alloys. 
• Low melting point alloys (or fusible alloys) are used as coolants because of their stability to heat, and are also used in the bonding of nuclear reactors and in automatic fire sprinklers.
• Non-ferrous alloys are alloys that do not contain much iron. Although they are more expensive than iron-based (ferrous) alloys, they weigh less, are non-magnetic, have higher conductivity and are corrosion resistant.
• Steel is an alloy of iron, carbon and other elements. It is a major component of buildings, infrastructure, tools, ships, automobiles, machinery and appliances because of its high tensile strength and low cost. There are several grades of steel, including long steel, flat carbon steel, weathering steel (COR-TEN), stainless steel and low carbon steel.
• Stainless steel is a steel alloy with a chromium content of more than 11%, which prevents the material from rusting and gives it heat-resistant properties. It is extremely resistant to corrosion and is widely used in the production of industrial equipment, cutlery, kitchen utensils, surgical instruments, architecture, large appliances and 3D printing.
• Tool steel refers to a variety of carbon and alloy steels that are extremely wear resistant and capable of maintaining a sharp edge at high temperatures. It is therefore an ideal material for making tools that cut, press, extrude or stamp metals or other substances. 

The techniques used in metal fabrication vary, but almost all start with the material in the form of sheet, billet, rod, tube, plate, bar or wire.

• Turning - A cylindrical piece of metal is held in a lathe and rotated while a cutting tool is held against it at different points and depths to precisely remove material to form the desired shape. 
• Forming - High-powered mechanical presses use pressure and heavy loads to bend, stretch, cut, roll and form metal parts.
• Milling - Rotating milling cutters mounted on or in a machine efficiently and accurately cut the material of a metal part into the desired shape. Traditional "milling machines" evolved into "machining centres" in the 1960s with the advent of computer numerical control (CNC) and automatic tool changers.
• Forging - Metal is shaped by hammering, pressing or rolling. Historically done by hand, modern forging is done with hammer presses powered by compressed air, electricity, hydraulics or steam. Forging is generally classified according to the temperature at which the process is carried out, either cold, warm or hot.
• Welding - Two or more pieces of metal are melted and joined together by the application of high heat and pressure. Welding uses a number of different heat sources, including gas flame, electric arc, laser, electron beam, friction and ultrasound.
• Casting - The metal is heated to a liquid state and then poured into a mould. The mould and metal are allowed to cool until the liquid metal solidifies, after which it can be removed from the mould. Casting is the preferred process for producing complex shapes that would otherwise be too difficult or too expensive to make by other methods.
• Extrusion - Hot or cold metal is pushed through a die of the desired shape or profile. The material can be pushed continuously to produce a single long line, or semi-continuously to create many separate parts.  This process is useful for creating very complex cross-sections, with the added benefit of creating a quality surface finish, a strong final object and a high degree of design freedom in the shape of the die.

• Polyvalence - Il existe de nombreux métaux et alliages différents, chacun ayant ses propres propriétés et caractéristiques.
• Facilité de fabrication - le métal est relativement facile à travailler, il peut être façonné en objets de toute taille et de toute forme, et peut être fini de nombreuses manières différentes.
• Faible coût - Les biens fabriqués à partir de métal sont faciles et abordables à produire en masse à l'aide d'un large éventail de procédés différents, bien que le matériau d'origine soit relativement compliqué à extraire et à raffiner.
• Conductivité - Les métaux conduisent l'électricité, ce qui les rend essentiels pour les fils et les composants électroniques.
• Résistance - La plupart des métaux utilisés dans la fabrication sont solides, durables, résistants à la chaleur, ont un point de fusion élevé et sont faciles à nettoyer. La combinaison de métaux pour créer un alliage peut encore améliorer ces propriétés.
• Réutilisation - À l'exception du plomb et du mercure, presque tous les autres métaux peuvent être recyclés, et le sont de plus en plus. Par exemple, près de 700 millions de tonnes d'acier et plus de 30 millions de tonnes d'aluminium sont recyclés chaque année dans le monde.

• Exploitation minière - Les procédés utilisés pour extraire le métal du sol peuvent avoir un impact négatif sur l'environnement.
• Ressources limitées - Seule une certaine quantité de métal se trouve dans la croûte terrestre et il est actuellement impossible d'accéder à d'énormes quantités car elles se trouvent trop profondément sous terre.
• Corrosion - Certains métaux rouillent avec le temps, ce qui les affaiblit structurellement et affecte leur apparence. 
• Coûts élevés - Les coûts de démarrage associés à la fabrication de pièces en métal sont élevés, en particulier pour les gros volumes, car elle nécessite des machines coûteuses et un outillage spécialisé. En outre, certains des produits chimiques utilisés dans les diverses méthodes de formage et de finition sont dangereux et sont donc des substances contrôlées dont l'utilisation nécessite une licence. 
• De meilleures alternatives - Les métaux peuvent être beaucoup plus résistants que la plupart des plastiques, mais ces derniers sont généralement plus légers, plus faciles à usiner, ne nécessitent pas une finition post-production aussi intensive et sont plus résistants à la corrosion. L'utilisation du métal dans un bâtiment, par exemple, peut s'avérer beaucoup plus coûteuse et laborieuse que l'utilisation d'un matériau comme le béton.   

L'impression 3D, parfois appelée "fabrication additive", couvre un certain nombre de processus et de techniques différents. Toutes impliquent qu'un matériau, généralement du plastique ou du métal, soit déposé en plusieurs couches fines pour créer une forme.

L'impression 3D en matière plastique remonte aux années 1980. L'impression 3D en métal est apparue dans les années 1990, après l'invention des techniques de fusion au laser et de frittage (chauffage sans fusion).

Le choix du matériau métallique a évolué au même rythme que la technologie :

• Aluminium - Des grains ultrafins de poudre d'aluminium sont frittés au laser pour produire des pièces métalliques d'usage final tout aussi performantes que les équivalents usinés. Cette technique est couramment utilisée pour produire des pièces entièrement fonctionnelles, des pièces de rechange et des bijoux. Les deux principales techniques d'impression 3D pour l'aluminium sont le frittage laser direct du métal (DMLS) et la fusion laser sélective (SLM).
• Le laiton - généralement utilisé pour produire des miniatures détaillées, des sculptures, des bijoux ou des tests de pré-impression (pour mettre en forme avant de produire avec de l'or ou de l'argent).
• Bronze - un matériau abordable et solide pour l'impression de métal, couramment utilisé pour les mêmes applications que le laiton.  
• Cuivre - utilisé en imprimerie pour produire de petits modèles décoratifs tels que des pièces de monnaie, des médailles, des connecteurs et des statuts. 
• L'or - est principalement utilisé pour l'impression de bijoux en or massif 14K ou 18K mélangé à un alliage pour des raisons de durabilité.
• L'acier inoxydable - offre un niveau de détail élevé et une grande résistance, ce qui le rend approprié pour des articles tels que les figurines miniatures, les bijoux, les porte-clés et les boulons.
• Argent sterling - Les modèles imprimés en 3D en argent sont composés de 92,5 % d'argent pur et de 7,5 % d'un autre métal, généralement du cuivre. Son utilisation la plus courante en impression 3D est la fabrication de bijoux.
• Acier - la forme la plus abordable d'impression 3D de métal ; la poudre d'acier est infusée avec du bronze pour former un matériau capable de fabriquer des objets très solides et très grands.
• Titane - Les objets imprimés en 3D à partir de titane sont très solides, précis et tout aussi bons que leurs équivalents usinés. Ce matériau partage les mêmes propriétés et applications que l'aluminium.