DÉCOUPE ÉLECTROCHIMIQUE DE TÔLE FINE

Il existe deux méthodes non mécaniques pour découper une pièce de métal fin :

- La voie acide
- La solution électrochimique        

La première méthode est bien connue, surtout si vous avez déjà gravé des circuits imprimés. Un acide (perchlorure de fer, acide nitrique ...) vient attaquer les parties d'une pièce de métal non protégées par un vernis ou une encre résistante.
Cette solution très utilisée pour fabriquer des petites plaques de laiton découpée qui servent à améliorer l'aspect des maquettes. Beaucoup de petits composants destinés à l'industrie électronique sont fabriqués de cette façon. Le modèle est reproduit avant gravure sur une plaque de métal rendue photo-sensible grace à une résine spéciale. Le report du dessin se fait par insolation d'un film transparent sur lequel est reproduit la forme à découper. On parle alors de photo-découpe.
Cette méthode a quelques inconvénients : elle utilise un produit qui est corrosif, salissant et poluant et nécessite une installation spécialisée. De plus, cette gravure a un effet (relativement) indésirable sur la précision des pièces obtenues. L'acide a tendance attaquer sous les parties protégées (env. 20% de l'épaisseur).
La seconde solution par contre est plus confidentielle et pourtant paradoxalement plus simple à mettre en oeuvre.

LA DÉCOUPE ÉLECTROCHIMIQUE

Par comparaison avec la découpe à l'acide, cette technique ne nécessite qu'un outillage simple : un générateur de courant (voir GALVANOPLASTIE), du fil électrique, un récipient non métallique (bol, cuvette ...), de l'eau et ... du sel de cuisine ! Elle est de plus nettement moins coûteuse, moins toxique, plus rapide et plus précise que la découpe à l'acide.
Le premier document que j'ai trouvé il y a quelques années et qui m'a servi de base de travail concernait la découpe de la hanche vibrante d'un pulso réacteur. Cette pièce devait être réalisée dans une tôle d'acier à ressort trempé de 0,15 mm. Les méthodes traditionnelles de découpe mécanique étaient inutilisables pour réaliser une telle pièce. Si les cisailles à tôle sont parfaites pour des coupes droites, dès que vous essayez de découper des courbes, la pièce ressort immanquablement tordue.
Dans ce cas particulier une découpe à l'acide aurait pu être retenue mais le défaut de cette technique est de creuser légèrement sous le métal lors de la découpe, laissant un bord légèrement biseauté (env. 20% de l'épaisseur) qui aurait brûlé trop rapidement.
Préparation de la pièce
La pièce de métal qui va être découpée doit être parfaitement nettoyée, sans qu'il subsiste de tache de graisse ou de rouille. Un bon tampon de vaisselle qui ne raye pas le métal et un détergent (genre poudre à récurer) font parfaitement l'affaire. Dorénavant interdiction de mettre les doigts sur la plaque ! Après rinçage à l'eau tiède, un passage dans un bai d'acide sulfurique dilué améliorera l'accrochage de l'étape suivante. (ATTENTION toujours verser l'acide dans l'eau et non le contraire. Risques de projections violentes d'acide). A défaut un bon polissage au papier abrasif à l'eau (grain très fin) fera l'affaire.
Mise en peinture
L'étape suivante consiste à déposer une fine et uniforme couche de peinture sur la plaque. Suivant les conseil de l'article j'ai utilisé une bombe d'apprêt de carrossier. La couleur gris tees clair permet de bien reporter le dessin.
Par mesure de précaution et afin d'éviter de laisser des micro porosités il est conseillé de passer une deuxième couche. Cette précaution a aussi un autre avantage. C'est cette couche de peinture, au dos de la plaque, qui va retenir la pièce quand le processus de découpage sera achevé. Si la pièce bouge avant que tout soit fini, il y a un risque d'écaillage de la peinture avec une attaque du métal sur des parties qui deviennent non protégées.
Report de la pièce à découper
Si vous possédez une fraiseuse numérique ou une vielle table traçante à plat, pas de problème, il suffit de graver la forme de la pièce avec une pointe sèche. Un simple trait pour découvrir la couche de peinture suffit. Il s'agit plutôt d'un marquage que d'un gravage. Sinon vous allez y laisser quelques fraises, même au carbure ! et au prix ou elles sont ....
Si vous n'avez pas de fraiseuse cnc il est toujours temps d'aller voir les autres pages du site (quand elles seront réalisées) et/où d'aller voir le site cnc25. En attendant rien n'est perdu !
Si vous êtes un artiste, le marquage direct à la pointe sèche sur la plaque tout à fait possible. Si vous êtes un peu moins sur de vos gestes et pour une pièce technique, un transfert préalable du dessin par papier carbone est souhaitable. Le truc de le photocopieuse marche aussi très bien. Dessinez ou imprimez la forme de votre pièce à l'envers. Faites en une photocopie bien noire. Appliquez la photocopie, face encrée sur la plaque et passez dessus un fer à repasser. La chaleur du fer déposera de l'encre et reproduira le dessin sur la plaque.
La meilleure solution, et la plus précise, reste quand même de réaliser une forme dans un matériau assez dur : CTP aviation très fin, feuille de plastique rigide... L'avantage c'est que si vous dérapez, votre trait se retrouvera à l'extérieur de la forme à découper et une petite retouche de peinture ou d'apprêt remédiera facilement au problème.
La gravure peut se faire avec une pointe sèche spéciale pour marquer le métal ou avec la pointe d'un scalpel. Comme vous allez forcément tourner autour de la forme et lever la main à un moment ou à un autre, il faut prendre la précaution de vérifier que toutes les lignes tracées se rejoignent bien.
La découpe
Vous aurez besoin d'un récipient non métallique de forme rectangulaire dans lequel vous pourrez immerger totalement la plaque à découper.
Remplissez ensuite ce récipient d'une solution d'eau et de chlorure de sodium (ne cherchez pas c'est du ... sel de table), à raison de 20 g par litre.
La plaque à découper est ensuite plongée dans ce bain et reliée au pôle +d'un générateur de 6 à 12 volts qui pourra être une batterie de moto ou de voiture, ou une alimentation de laboratoire réglable en tension et courant. Petite précaution : grattez la peinture à l'endroit où se fera la connexion électrique et laisser cette partie hors du bain.
Il maintenant placer un morceau de tôle en acier (de préférence inoxydable) qui aura à peu près la même surface que la pièce à découper en prenant garde que les deux plaques ne puissent se toucher au cours du traitement.
Si vous utilisez un petit récipient il sera bon de prévoir une limitation de courant avec par exemple une résistance de 8 ohms (10 watts). A défaut une simple ampoule automobile 10-20W 12V fera parfaitement l'affaire (voir GALVANOPLASTIE).
Connectez cette cathode au pôle - et ... c'est parti.
Au début on voit apparaître des petites bulles dans le bain. C'est le signe du commencement de la réaction d'électrolyse. Le bain reste clair et se trouble petit à petit pour prendre une teinte marron verdâtre. Ce sont les particules de fer (ions ferriques) qui se détachent.
Selon la composition du métal à découper, la tension et le courant appliqué, la distance entre les pièces et leur épaisseur, le temps de découpe pourra varier de quelques minutes à un peu plus d'une heure. Pour accélérer le processus et améliorer la précision de découpe on peut remuer de temps en temps la plaque pour détacher les particules ou créer un jet de bulles au fond du récipient avec une pompe à air et une pierre poreuse utilisée en aquariophilie.
Pour vérifier que la découpe est terminée, le meilleur moyen est de sortir la plaque et de la regarder par transparence devant une lampe électrique. Si on ne voit rien, on replonge. Sinon la forme à découper se détache clairement à travers ce qui reste, c'est à dire la peinture ou l'apprêt.
Post traitement
Une fois le traitement terminé il suffit de pousser légèrement la forme pour qu'elle se détache de la plaque. Dans certains cas il pourra rester quelques petites bavures mais si fines qu'un très léger ponçage laissera un bord parfaitement net.
Pour des pièces très techniques et sollicitées un passage au four ménager pendant environ une heure à 90-100°C permettra de libérer tout l'hydrogène qui aurait pu pénétrer la structure de l'acier

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TRAITEMENTS ÉLECTROCHIMIQUES

TRAITEMENTS ÉLECTROCHIMIQUES
Grâce à un certain Monsieur Faraday qui a défini les bases de l'électrolyse en 1833 il est devenu possible de procéder simplement à des dépôts métalliques sur de nombreuses surfaces. Depuis cette date beaucoup d'applications industrielles ont été développées. Pour l'amateur on pourra notamment :

- Cuivrer une pièce en acier - Cuivrer un objet non métallique - Créer un objet en métal par électroformage - Polir et affûter des métaux

D'autres pages du site traitent ou traiteront de procédés chimiques, électriques ou électrochimiques couramment mis en oeuvre dans l'industrie de la transformation des métaux, par exemple :

- La découpe électrochimique - La découpe chimique par photo-découpe - L'usinage électrochimique (Electro Chemical Machining) - La fabrication d'une perceuse électrochimique - L'électroérosion (Electro Discharge Machining) - Comment construire une petite machine d'électroérosion - L'anodisation de l'aluminium - ...

Note : il ne sera pas traité dans cette page de dépôt d'autres métaux par voie électrolytique. La plupart des bains utilisés pour ces métaux sont à base de dérivés cyanurés et/ou de chlorures dont la manipulation est extrêmement dangereuse et toxique.

Galvanoplastie, principe et matériels

Lorsque deux électrodes sont immergées dans un récipient contenant un liquide conducteur et qu'elles sont reliées à courant continu, il s'établit dans le bain un champ électrique qui produit un déplacement du métal de l'anode (+) vers la cathode (-).
En pratique on se sert de ce principe pour déposer un métal (cuivre, nickel, zinc, chrome, argent, or ...) sur un objet lui même métallique ou de n'importe quelle nature pourvu qu'il soit rendu conducteur.

Source de courant :
Le courant alternatif ne permet pas de procéder à une électrolyse et il faut donc utiliser un générateur de courant continu qui pourra être :

- Une alimentation de laboratoire réglable en tension et courant
- Une batterie 6 ou 12V
- Une alimentation "maison" à base de transformateur, pont de diode et condensateur

Pour vérifier les bonnes conditions de l'électrolyse, il est utile de placer un voltmètre et un ampèremètre comme sur le schéma suivant.

Si vous utilisez une alimentation non réglable (batterie par exemple) cette régulation pourra se faire avec un montage à base de résistances montées en parallèle ou en série. Ces résistances peuvent être remplacées par des ampoules automobile 12 V.
Cuves de traitement :
Indifféremment en plastique ou en verre (genre Pyrex de préférence) d'une contenance qui sera adaptée au volume de la pièce à traiter.

Cuivrage d'une pièce en acier

Composition du bain de cuivrage :

- Sulfate de cuivre cristallisé :   300 g
- Acide sulfurique à 60°B :          100 g
- Eau déminéralisée :                 900 g 

Un ajout de glycérine peut souvent améliorer l'accrochage du dépôt.
Le sulfate de cuivre se trouve dans les magasins de fournitures agro-chimiques ou, sur commande généralement, dans les pharmacies.
On commence par diluer le sulfate de cuivre dans l'eau (l'eau déminéralisée vendue en grande surface pour les fers à repasser convient très bien). L'acide sulfurique sera ensuite versé progressivement dans l'eau. (ATTENTION toujours verser l'acide dans l'eau et non le contraire. Risques de projections violentes d'acide)
La pièce à cuivrer sera placée dans le bain et reliée à la cathode (-). L'anode (+) sera en cuivre le plus pur possible et d'une surface égale à la pièce à cuivrer. L'ensemble sera relié au générateur. Les conditions idéales de cuivrage sont :

- Tension : 1 à 2 V
- Intensité débitée : < 1A/dm2
- Température du bain : 40°C 

Une bonne préparation du métal à traiter est très importante pour que le cuivre puisse bien "accrocher". Un ponçage au papier de verre de plus en plus fin si la pièce n'est pas parfaitement lisse, ou un récurage au tampon à vaisselle, suivi d'un dégraissage constituent une bonne solution. Une dernier bain dans une solution d'eau additionnée de 10% d'acide sulfurique parfaira le traitement.
30 à 40 minutes suffisent généralement pour assurer un cuivrage de protection ou de décoration. Au sortir du bain on prendra la précaution de rincer abondamment et de sécher parfaitement la pièce traitée, sinon l'acide contenu dans le bain continuera un effet néfaste.

Cuivrage d'une pièce non métallique

Les conditions de traitement sont identiques à celles utilisées pour le cuivrage de la pièce d'acier. Il suffit simplement de rendre l'objet conducteur de l'électricité.
C'est généralement du graphite qui est utilisé et déposé sur la surface de l'objet à traiter. Deux ou trois couches suffisent.
D'autres produits, comme les vernis à base de poudre de métaux peuvent aussi faire l'affaire. On peut aussi réaliser une peinture conductrice en mélangeant une poudre très fine conductrice (graphite, poudre de métal) avec un vernis solvanté ou acrylique de préférence s'il s'agit d'une matière plastique ou organique.

Électroformage

Avec la même technique il est possible de réaliser des pièces brutes en cuivre ou dans d'autres métaux (notamment en nickel). On peut ainsi réaliser des reproductions ou des objets de toutes sortes et de toutes formes.
Fabrication d'un moule en métal
Voici par exemple le procédé que j'ai utilisé pour fabriquer des moules ayant servi à des essais d'injection de matière plastique sur une petite presse manuelle de conception personnelle.
Supposons qu'il s'agisse de fabriquer une petite série de pièces injectées en PP, de forme non développable d'environ 8 cm3. Le process a été le suivant.

On coule du plâtre synthétique (généralement appelé à tort "plâtre polyester") autour de la forme à reproduire qui est maintenue bien horizontalement dans un moule enduit de vaseline. Quatre empreintes seront faites avec une pointe de crayon tout autour de la forme avant que le plâtre ne soit complètement sec. Elles serviront de repères de moulage.

Une fois que tout est bien sec on repasse une fine couche de démoulant (vaseline ou démoulant en bombe) avant de couler une nouvelle épaisseur de plâtre. On obtient alors un moule en deux parties reproduisant fidèlement les détails de la forme.

On recommence les opérations en coulant cette fois une cire de moulage rendue liquide par chauffage pour obtenir deux moules mâles qui reproduisent cette fois en positif les formes de la pièce.

La face en plâtre à cuivrer est ensuite recouverte de graphite et on procède à une électrolyse pendant 24 à 48 heures selon l'épaisseur de cuivre recherchée (environ 0,6 mm par 24 heures).

Quand la couche de cuivre est suffisamment solide on arrête le processus. Le plâtre est ensuite détruit mécaniquement après un long trempage dans l'eau. Ce temps de trempage est considérablement raccourci si on acidifie le bain avec un peu d'acide acétique ou de détartrant pour cafetière électrique. Le plâtre ôté laisse place à un superbe moule en cuivre qui pourra rendre pas mal de services en l'état (si vous voulez justifier vos expériences auprès de votre épouse ou petite amie, faites lui donc un moule a madeleines ... en forme de coeur ;-)) ou après rigidification (plâtre, résine ...). Par contre pour le moulage des plastiques ce n'est pas l'idéal et il reste une dernière étape.
On re-positionne cette feuille de cuivre face creuse vers le haut dans un moule métallique et on re-coule ... du Kayem ! C'est un alliage de zinc qui a été développé pour la fabrication de poinçons et matrices d'emboutissage. Ils est également utilisé pour la fabrication d'outillages de découpage ainsi que pour des moules pour injection de matières thermoplastiques. La température de fusion est comprise entre 358°C et 390°C selon le grade 1 ou 2.
A titre d'exemple on peut tirer 50.000 pièces en Nylon, 150.000 en Rilsan et plusieurs centaines de mille en Polyéthylène dans un moule en Kayem.
Bon me direz vous il reste quand même une belle couche de cuivre sur ce Kayem ! D'accord mais il suffit de faire ça !

En changeant les pièces de position, on inverse la réaction et le cuivre disparaîtra petit à petit. Attention quand même. On protégera les parties non cuivrées par un vernis pour éviter de polluer le bain avec des ions zinc. La réaction devra être arrêtée dès la mise à nue du Kayem. Celui-ci contenant environ 3% de cuivre il y a un risque de détérioration de la qualité de surface.
Certes tout cela est un peu long mais certainement moins que le fraisage, rectification et polissage d'un moule en acier. Le Kayem est récupérable à 100% par une nouvelle fonte et à moins de 5 euros le kilo ...
Pour être honnête, le kayem se moule très bien dans des moules en plâtre et je me suis un peu compliqué la vie pour cette application. Par contre elle m'a servi à valider le procédé pour la fabrication d'autres pièces dans d'autres alliages qui eux ont une température de fusion élevée. Disons qu'avec ce process ça marche "nickel-chrome" ;-)
Autres réalisations
Il y a d'autres techniques plus simples pour réaliser des objets creux de toute dimension. On peut notamment utiliser une forme mâle en cire ou en polystyrène. Ces noyaux étant détruits après dépôt du métal soit par fonte de la cire ou par attaque du polystyrène à l'acétone.
Avec peu d'imagination il est possible d'entrevoir toutes les réalisations possibles dans les domaines du modélisme et de la décoration. Un accastillage complet tout en cuivre pour votre belle maquette ça vous dirait ? Un petit coup de patine et ça ressemble à du bronze !

Polissage et affûtage électrolytique

Les pièces métalliques peuvent être polies par voie mécanique en utilisant des abrasifs de plus en plus fin et par un passage final au feutre enduit de pâte spéciale. Outre le matériel nécessaire, le procédé est relativement long si vous souhaitez obtenir un "poli miroir".
Le polissage et l'affûtage électrolytique sont basés sur la règle suivante : lors de l'électrolyse ce sont les particules en relief, même microscopiques, qui seront attaquées en premier. Un dégrossissage mécanique peut être utile pour accélérer le processus avant la finition.
Le principe et le matériel est le même que dans tout ce que j'ai évoqué plus haut. L'objet à polir ou l'outil à affûter sera connecté à l'anode (+). Le temps d'électrolyse varie de 5 à 30 mn selon l'état de surface initial de la pièce.
Le tableau suivant résume les principaux bains utilisés professionnellement.

Métal	Bain		Cathode	Tension	Intensité	T° du bain
Acier	acide sulfurique acide phosphorique eau	300 cc 600 cc 150 cc	acier inoxydable	8 V	1 à 2 A/dm2	env. 60° C
Acier inoxydable	acide phosphorique glycérine eau	300 cc 530 cc 90 cc	acier inoxydable	5 V	1 à 2 A/dm2	> 60° C
Aluminium	acide perchlorique anhydre acétique	350 cc 650 cc	acier inoxydable	50 V	2 A/dm2	< 35° C
Cuivre	acide phosphorique eau	700 cc 300 cc	cuivre	2 V	7 A/dm2	20° C

Ce sont des bains et des conditions optimales d'utilisation. On peut y déroger et j'ai par exemple obtenu de très bons résultats d'affûtage de lames d'acier au carbone avec des bains composés d'acide sulfurique et/ou de chlorure de sodium (sel de table) avec une batterie de 6 Volts.

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