Le forgeage de l'aluminium est la méthode qui consiste à façonner des pièces solides à partir de billettes d'aluminium sous une forte pression de compression, généralement en présence d'une chaleur intense. Par rapport au moulage, où le métal en fusion est versé dans des moules pour fabriquer les objets requis, dans le forgeage, il n'y a pas de fusion du métal ; le métal est travaillé à l'état solide, et c'est l'une des raisons pour lesquelles le matériau conserve une très bonne résistance, une grande ténacité, et supporte mieux la fatigue. Cela fait une superbe différence dans la capacité de charge des pièces en aluminium forgé et dans leur stabilité à long terme.
L'aluminium est l'un des matériaux les plus importants dans l'ingénierie et la fabrication du monde moderne. La solidité et la résistance à la corrosion de cet alliage le rendent irremplaçable dans des applications industrielles telles que l'aérospatiale, l'automobile, la construction, le transport maritime et la défense. Les performances de l'aluminium peuvent toutefois être considérablement affectées par son mode de transformation. Le forgeage de l'aluminium est l'un des moyens les plus efficaces de fabriquer des composants solides et durables qui se sont révélés fiables dans diverses productions.
Cet article examine en profondeur le concept, le processus, les avantages et les utilisations de cet incroyable procédé d'usinage des métaux.
Comprendre le forgeage
Pour comprendre le forgeage de l'aluminium, il faut d'abord se faire une idée du concept plus large de forgeage. Le forgeage est une méthode de fabrication très ancienne. Les forgerons avaient l'habitude de marteler le fer rouge pour en faire des outils et des pièces d'armes, qui étaient non seulement très résistants, mais aussi très durables. Le même concept s'applique aujourd'hui, bien que la technologie soit beaucoup plus développée.
Le processus de forgeage consiste à déformer une pièce de métal sous une pression extrême, généralement à l'aide de presses, de marteaux ou de matrices. Cette pression redistribue la structure interne du grain du métal, créant ainsi des pièces aux propriétés mécaniques supérieures à celles des pièces coulées ou usinées. Appliqué à l'aluminium, ce procédé offre une opportunité distincte avec des avantages particuliers, utiles à de nombreuses industries.
Qu'est-ce que le forgeage de l'aluminium ?
Le forgeage de l'aluminium peut être défini simplement comme l'action compulsive de façonner les alliages d'aluminium en utilisant la déformation par compression afin de produire des pièces plus résistantes, plus durables et plus fiables que les pièces produites par d'autres pratiques telles que le moulage. En général, le métal ne fond pas du tout, il est simplement chauffé pour rester à l'état solide pendant le processus.
Ce processus permet d'obtenir des caractéristiques denses à grain fin qui augmentent les propriétés mécaniques telles que la résistance à la traction, la résistance à la fatigue et la résistance aux chocs. L'idée de marteler et de presser l'aluminium pour créer une pièce capable de résister à diverses conditions extrêmes évoque le terme de forgeage de l'aluminium. Cela a contribué à faire de l'aluminium forgé un produit de prédilection pour les industries où les niveaux de sécurité et de performance ne peuvent être compromis.
Procédé de forgeage de l'aluminium
Le processus de forgeage de l'aluminium comporte plusieurs processus manipulés avec précision, grâce auxquels le produit est classé comme étant de qualité. Voici comment cela se passe normalement :
- Billet Préparation : L'alliage d'aluminium brut, généralement sous forme de billettes ou de lingots, est découpé à la taille requise.
- Le chauffage : La billette est chauffée à une certaine température élevée, généralement entre 400 °C et 480 °C. Ce type de chauffage augmente la malléabilité du métal et évite de le faire fondre.
- Forgeage : Au cours de ce processus, la billette chaude est pressée sous une presse mécanique ou hydraulique dans la forme de la matrice. La structure des grains internes de l'aluminium est alors réorganisée, ce qui augmente sa résistance.
- Coupe et finition : L'éclair de matière est enlevé. La pièce forgée est ensuite usinée selon des dimensions et des tolérances précises.
- Traitement thermique (en option) : Certaines pièces en aluminium forgé subissent un traitement thermique supplémentaire pour les rendre aussi solides, dures et résistantes à l'usure que possible.
Chaque étape du processus de forgeage de l'aluminium est soigneusement contrôlée afin de garantir une qualité égale. Un changement de température, de pression ou de durée peut nuire aux performances finales de la pièce.
Avantages de l'aluminium forgé
Les raisons pour lesquelles l'aluminium forgé est préféré à d'autres matériaux d'ingénierie seront discutées de différentes manières. Les avantages sont les suivants :
- Résistance supérieure : En raison de la structure à grain fin, l'aluminium forgé est plus résistant que les pièces moulées ou extrudées.
- Léger : L'aluminium est déjà un matériau léger, et le forgeage remodèle sa structure pour éliminer le poids superflu. Les pièces forgées conviennent donc également à l'ingénierie sensible au poids, comme l'aérospatiale et l'automobile.
- Durabilité accrue : Les pièces en aluminium sont plus dures et capables de résister aux conséquences des chocs provenant de différentes surfaces, au stress et à la fatigue par rapport à leurs substituts.
- Résistance à la corrosion : L'aluminium présente une grande résistance à la corrosion, mais cette caractéristique est améliorée lors du forgeage, ce qui permet d'utiliser les composants dans des conditions extrêmes.
- Flexibilité dans la conception : L'aluminium peut être conçu dans n'importe quelle forme complexe sans perte d'intégrité, compte tenu des techniques actuelles de forgeage.
Il n'est pas surprenant que l'industrie dans laquelle il est le plus demandé soit celle où l'on utilise de l'aluminium forgé, car ce matériau est devenu l'étalon-or de la sécurité et de la durabilité.
Traitements de surface et inspection
Il est rare que les pièces en aluminium forgé soient utilisées directement après usage. Les composants forgés font l'objet d'une finition de surface et d'une inspection afin de répondre aux normes industrielles. Ces mesures augmentent la durabilité, le style et la fiabilité.
Finition de surface
La finition de la surface améliore l'esthétique et la fonctionnalité des pièces en aluminium forgé. Elle permet également d'éliminer les défauts qui apparaissent au cours du forgeage. Les méthodes habituelles sont les suivantes :
- Usinage : Ce processus permet d'éliminer la matière indésirable et de garantir que toutes les dimensions souhaitées sont correctes.
- Grenaillage / Sablage : Enlève la surface et améliore sa texture.
- Polissage : Il permet d'obtenir une finition lisse et réfléchissante, à des fins esthétiques ou pratiques.
- Anodisation ou revêtement : Fournit un revêtement qui prévient la corrosion et l'usure.
En fonction de l'utilisation prévue, chaque finition est sélectionnée individuellement : dans le cas des composants aérospatiaux, ils peuvent être anodisés, tandis que les composants automobiles peuvent être usinés et polis.
L'inspection
L'inspection est utilisée pour que chaque produit forgé en aluminium soit conforme à des normes de haute qualité. Les techniques utilisées sont les suivantes
- Inspection visuelle : Cela permet d'identifier les fissures ou les irrégularités de la surface.
- Contrôles de conformité : Vérifier la précision à l'aide d'instruments tels que des pieds à coulisse et des machines à mesurer.
- Essais non destructifs (END) : Les examens non destructifs, tels que le contrôle par ultrasons, le ressuage et l'inspection par rayons X, sont utilisés pour vérifier la qualité interne sans détruire la pièce.
- Essais mécaniques : Teste la dureté, la résistance à la traction et la résistance aux chocs.
Importance
Une finition et une inspection appropriées sont nécessaires pour que le forgeage de l'aluminium n'entraîne pas de défauts, ce qui fragiliserait la pièce. Ces processus sont essentiels pour sécuriser les industries telles que l'aérospatiale, l'automobile et la marine, car les défaillances ne sont pas permises.
Traitement thermique du forgeage de l'aluminium
Le traitement thermique est un processus très important dans le processus de forgeage de l'aluminium. Il permet de rendre les pièces plus solides, plus dures, plus ductiles et plus résistantes à la corrosion. Sans cette étape, même les pièces en aluminium spécialement grillées d'un vélo n'atteindraient pas leur pleine performance.
Recuit
Les pièces forgées en aluminium sont recuites afin de les rendre plus souples. Le métal est chauffé à des températures d'environ 300-4000 °C et refroidi lentement. Cette étape permet de réduire les contraintes internes et d'améliorer la ductilité, de sorte que la pièce est plus simple à usiner et ne nécessite pas de traitements supplémentaires.
Traitement thermique en solution
Au cours de cette étape, la pièce forgée est chauffée à une température relativement élevée, dans le cas d'un alliage, généralement de 500 à 540 °C. Les éléments qui sont alliés, comme le cuivre ou le magnésium, sont dissous dans une solution solide. Les éléments alliés, tels que le cuivre ou le magnésium, sont dissous en une solution solide. Cela permet à la pièce de refroidir rapidement et de durcir ensuite rapidement.
Trempe
La pièce forgée est trempée immédiatement après le traitement thermique de mise en solution. Par un refroidissement rapide dans l'eau, l'huile ou une solution polymère, les éléments dissous sont fixés en position. Cela forme une structure homogène de la pièce forgée en aluminium, qui est prête à subir un vieillissement.
Durcissement par précipitation
Le durcissement et la résistance augmentent avec le vieillissement. Il existe deux types très répandus :
- Vieillissement naturel (T4) : A température ambiante, on observe une augmentation de la résistance des pièces sur une certaine période.
- Vieillissement artificiel (T6) : La pièce est réchauffée à une température réduite (120-190 0 C) et maintenue à cette température pendant un certain temps afin d'accélérer la solidification.
Soulagement du stress
Les pièces de grande taille ou compliquées peuvent présenter des tensions lors du forgeage et de l'usinage. Ce procédé permet de relâcher les contraintes autour du point un peu en dessous des températures de recuit, tout en refroidissant lentement la pièce. Cela permet de réduire les déformations et les fissures lors de l'utilisation.
Différences entre le forgeage et les autres méthodes d'usinage des métaux
Bien que le forgeage de l'aluminium soit l'une des pratiques les plus solides en matière de fabrication, ce n'est pas la seule technique. D'autres procédés populaires sont le moulage, l'extrusion et l'usinage. Le forgeage présente de nombreux avantages et, à certains égards, il est difficile d'en trouver un plus notable :
1. Forgeage et moulage
- Le processus de coulée consiste à verser de l'aluminium fondu dans un moule.
- Le forgeage déforme plutôt le métal lorsqu'il est solide (mais souvent chaud).
La principale différence entre les deux est que le moulage permet de créer des modèles plus compliqués, tandis que les pièces forgées sont plus fiables, fermes et sans porosité (présence de minuscules trous d'air).
2. Forgeage et extrusion
- Extrusion force l'aluminium à passer à travers une matrice qui façonne le produit en longues pièces de même section (telles que des tiges, des tuyaux et des canaux).
- Le forgeage est un processus qui consiste à presser l'aluminium en morceaux bruts à l'aide d'une force et d'une matrice.
Différence primaire : L'extrusion permet d'obtenir des profils longs et des exigences cohérentes, tandis que le forgeage permet d'obtenir des détails plus solides, plus résistants et plus fluides.
3. Forgeage Vs. l'usinage
- L'usinage consiste à retirer de la matière d'un bloc d'aluminium solide à l'aide de tours, de fraises ou de tout autre outil.
- Le forgeage déforme le métal par opposition à l'enlèvement de métal.
Principale différence : La principale différence entre l'usinage et le forgeage est que l'usinage produit des pièces sans déchets, mais il est moins efficace en termes d'utilisation des matériaux, alors que le forgeage utilise moins de matériaux pour produire des pièces plus résistantes.
4. Forgeage vs. estampage
- L'estampage est une procédure dans laquelle une presse est utilisée pour découper ou estampiller des pièces de feuilles d'aluminium.
- Le forgeage utilise la pression de compression sur les billettes pour créer un composant plus solide et plus épais.
Principale différence : L'estampage est utilisé pour les pièces de tôle plus fines, et le forgeage pour les pièces structurelles et porteuses.
En bref :
- Casting : meilleure dans une forme complexe, bien que plus faible.
- Extrusion : Cette extrusion convient aux profils longs et manque de résistance.
- Précision : Précis, mais peu économique en termes d'usinage.
- Estampage : c'est bon marché et rapide, mais seulement sur les parties fines.
- Forgeage : le meilleur procédé en termes de durabilité, de résistance à la fatigue et d'applications critiques pour la sécurité.
Utilisations du forgeage de l'aluminium
Les domaines d'utilisation du forgeage de l'aluminium sont nombreux et les entreprises sont énormes, exigeant à la fois performance et fiabilité. Parmi les applications les plus importantes, on peut citer les suivantes :
- Équipement automobile : L'aluminium forgé trouve des applications dans les composants de suspension, les roues, les éléments de châssis et les éléments de moteur. Ces pièces sont soumises à des charges importantes, mais doivent également permettre de conserver un véhicule léger et économe en carburant.
- L'industrie aérospatiale : Dans l'aéronautique, le forgeage de l'aluminium est un élément essentiel du train d'atterrissage, de la structure des ailes et des pièces de moteur. La moindre marge de sécurité dans l'industrie aérospatiale rend les pièces forgées indispensables.
- Construction et infrastructure : Les connecteurs et les joints en aluminium forgé sont utilisés dans les ponts et les immeubles de grande hauteur en raison de leur longévité.
- Applications marines : L'aluminium ne rouille pas facilement, ce qui en fait un matériau de prédilection pour les constructions autorisées dans l'environnement marin : navires, hélices, constructions offshore.
- Machines industrielles : Les équipements de grande capacité peuvent utiliser des pièces forgées, en aluminium ou dans d'autres matériaux, car leurs spécifications exigent résistance et faible poids.
La flexibilité des composants forgés rend l'utilisation de la forge d'aluminium très pratique dans l'ingénierie contemporaine.
Comparé à d'autres méthodes de fabrication
Quelle est la différence entre les pièces forgées en aluminium et le moulage, l'extrusion ou l'usinage ?
- Casting : Il permet d'obtenir des formes complexes, mais a tendance à présenter des porosités et une mauvaise structure de grain. Ces faiblesses sont éliminées par l'utilisation d'aluminium forgé.
- Extrusion : L'aluminium extrudé présente une cohérence dimensionnelle utile, mais n'a pas les caractéristiques mécaniques des pièces moulées.
- Usinage et forgeage : L'usinage ne fonctionne bien que sur des blocs solides, et il est précis mais coûteux et moins économique que le forgeage.
C'est pourquoi les industries qui ont l'avantage de mettre l'accent sur la résistance et la sécurité ont tendance à opter pour le processus de forgeage de l'aluminium.
Types de forgeage de l'aluminium
En fonction des méthodes et des équipements, le forgeage de l'aluminium peut être classé en plusieurs types. Les forces respectives et le volume de production des pièces déterminent la méthode à utiliser, et les avantages offerts par chaque méthode sont également individuels.
1. Forgeage en matrice ouverte
Dans le cadre du processus de forgeage à matrice ouverte, la billette d'aluminium est placée entre des matrices plates ou de forme simple, qui ne parviennent pas à enfermer la billette d'aluminium. Le métal est martelé ou pressé à plusieurs reprises pour obtenir la forme souhaitée. Ce procédé est idéal pour les pièces de grande taille telles que les arbres, les anneaux et les disques, car il nécessite une grande résistance. Le forgeage en matrice ouverte n'est possible que grâce à la flexibilité de la conception, bien qu'il faille procéder à un usinage supplémentaire pour obtenir la pièce finale.
2. Forgeage en matrice fermée (forgeage par empreinte)
Dans le cas du forgeage en matrice fermée, les matrices encapsulent la billette chauffée. Sous l'effet de la pression, l'aluminium s'écoule dans la cavité de la matrice et acquiert une forme précise. C'est une bonne méthode pour fabriquer des pièces complexes avec une tolérance fine, par exemple des pièces de suspension automobile ou des raccords d'avion. Bien que les coûts d'outillage soient plus élevés, la précision et la résistance des pièces forgées en matrice fermée sont des avantages significatifs de ce procédé.
3. Forgeage à froid
Forgeage à froid est réalisé à température ambiante ou presque, alors que dans le cas du forgeage traditionnel, le métal est chauffé avant d'être forgé. Elle nécessite également une pression plus élevée, mais les résultats obtenus sont des matériaux avec une finition de surface élevée et une grande précision des dimensions. Les petites pièces en aluminium, telles que les attaches, les engrenages et la quincaillerie, sont souvent forgées à froid lorsque la résistance et la précision sont importantes.
4. Forgeage à chaud
Le forgeage à chaud est la forme la plus courante de forgeage de l'aluminium. La billette est chauffée à une température donnée (toujours inférieure à son point de fusion) afin d'améliorer sa ductilité. Cela réduit la force nécessaire pour mouler l'aluminium et améliore la structure du grain. Le forgeage à chaud est principalement appliqué comme l'une des méthodes de production de pièces plus grandes, plus complexes et nécessitant de meilleures caractéristiques matérielles.
5. Forgeage de précision
Le forgeage de précision est un type de forgeage à matrice fermée conçu pour nécessiter le moins possible (ou pas du tout) d'usinage secondaire. Des niveaux élevés de précision sont intégrés dans les matrices, ce qui permet de produire des pièces de forme presque nette. Cela permet de minimiser les pertes, d'économiser des coûts et d'obtenir une qualité constante, ce qui en fait un procédé très prisé dans l'industrie aérospatiale et dans l'industrie des hautes performances.
6. Forgeage de rouleaux
Dans le cylindre, les matrices cylindriques ou plates tournent et la billette d'aluminium chaude est pressée. Ce traitement rend le matériau plus fin et plus long grâce à l'uniformité des grains. Les pièces telles que les essieux, les arbres coniques et les bagues sont souvent forgées par laminage.
7. Laminage d'anneaux sans soudure (forgeage d'anneaux)
Le forgeage de bagues en aluminium est un procédé spécialisé permettant de fabriquer des bagues sans soudure en aluminium. Une billette légèrement poinçonnée est étirée en forme d'anneau, puis laminée jusqu'au diamètre et à l'épaisseur souhaités. Cette méthode est importante dans les secteurs de l'aérospatiale, des turbines et des roulements.
8. Forgeage isotherme
Dans cette procédure de haut niveau, la billette d'aluminium et les matrices de forgeage sont chauffées à la même température. Les gradients thermiques sont ainsi réduits au minimum, ce qui permet un contrôle plus étroit des formes complexes. Le forgeage isotherme est souvent utilisé dans l'aérospatiale et les implants médicaux où la précision est requise.
9. Forgeage de formes quasi nettes
Il s'agit non seulement d'un processus de forgeage avancé, mais aussi d'un processus visant à produire des pièces dont la taille est proche de la taille finale et qui peuvent ne pas nécessiter de traitement ultérieur. Il permet de gaspiller moins de matériaux et d'économiser de l'argent, tout en conservant la résistance que l'on obtient avec le forgeage.
10. Forgeage à l'envers
Le forgeage par refoulement permet d'augmenter le diamètre d'une billette en comprimant sa longueur. Il est largement utilisé dans la fabrication d'éléments de fixation tels que les boulons, les vis et les vannes, lorsque la résistance de la tête ou de la tige est souhaitée.
Matières premières utilisées pour le forgeage de l'aluminium
Le forgeage de l'aluminium est basé principalement sur des alliages d'aluminium et non sur de l'aluminium pur. La plupart des applications structurelles exigent des qualités plus solides de l'aluminium, c'est pourquoi d'autres éléments tels que le cuivre, le zinc, le magnésium et le silicium sont ajoutés pour accroître la résistance et les performances des matériaux.
Série 2xxx (alliages aluminium-cuivre)
- Exemple : 2219
- Propriétés : Il est très résistant, facile à usiner et présente d'excellentes performances à haute température.
- Applications : Équipements aérospatiaux, pièces de moteur automobile et équipements de défense.
Série 5xxx (alliages d'aluminium et de magnésium)
- Exemple : 5083
- Propriétés : Excellente résistance à la corrosion, en particulier dans un environnement marin.
- Applications : les structures offshore, la construction navale et les navires de transformation.
Série 6xxx (alliages d'aluminium-magnésium-silicium)
- Exemple : 6061, 6082
- Propriétés : Bonne combinaison uniforme de résistance mécanique, de résistance à la corrosion et d'usinabilité.
- Applications : Pièces de suspension automobile, supports aérospatiaux et pièces de construction.
Série 7xxx (alliages d'aluminium et de zinc)
- Exemple : 7075
- Propriétés : Très haute résistance, bonne résistance à la fatigue et moins bonne résistance à la corrosion.
- Applications : Pièces d'avion, fixations aéronautiques, matériel militaire et articles de sport performants.
Alliages spéciaux
Certains des alliages fabriqués sont spécifiquement utilisés pour le forgeage isotherme et de précision et lorsque des tolérances strictes et des performances élevées dans des conditions extrêmes sont souhaitées.
- Utilisations : Vaisseaux spatiaux, moteurs à turbine et équipements médicaux vitaux.
En résumé :
- Les alliages les plus soudés sont les 6061 et 6082 en raison de la variabilité de leur utilisation.
- Les alliages 7075 et les autres alliages de la série 7xxx sont couramment utilisés dans l'aérospatiale, où la résistance est le principal critère.
- Les alliages de la série 5xxx sont utilisés lorsque la solidité est moins importante que la résistance à la corrosion (comme dans les applications marines).
- Lorsque la résistance à des températures élevées est nécessaire, la série d'alliages 2xxx est utilisée.
Problèmes et restrictions
Bien que le processus de forgeage présente de nombreux avantages, il comporte quelques limites. Les matrices et les presses sont coûteuses et les coûts d'outillage sont absorbés dans les petites séries. De plus, il n'est pas possible de forger toutes les formes. Les conceptions plus complexes peuvent nécessiter un usinage de finition.
L'autre facteur restrictif est que tous les alliages d'aluminium ne peuvent pas être forgés. Il faut donc choisir l'alliage le plus approprié, sans se soucier de la qualité. trop d'emphase une performance mécanique ou l'aptitude à la fabrication du produit. Toutefois, ces inconvénients sont généralement éclipsés par les avantages inégalés de l'aluminium forgé.
L'avenir du forgeage de l'aluminium
Le forgeage de l'aluminium a un avenir brillant, alimenté par l'innovation et le désir mondial d'obtenir un poids léger et des performances élevées. Avec la généralisation des voitures électriques, l'apparition de nouvelles technologies aérospatiales et la création de solutions pour une meilleure énergie verte, la demande de matériaux à la fois résistants et légers ne cessera de croître.
Les usines de forgeage contemporaines adoptent également l'automatisation, l'utilisation d'ordinateurs, de modèles et de contrôles de qualité accrus afin de produire des pièces de qualité supérieure et plus productives. En ce qui concerne le développement durable, on s'attend à ce que l'utilisation de l'aluminium par le biais du forgeage devienne un élément encore plus important, simplement parce qu'il est recyclable et abondant.
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Conclusion
Où cela nous mène-t-il ? Qu'est-ce que le forgeage de l'aluminium ? Lorsque les alliages d'aluminium sont remodelés avec des niveaux élevés de force de compression, on parle de processus de remodelage des alliages d'aluminium afin de fabriquer des pièces plus solides et plus fiables. Les industries qui utilisent l'aluminium forgé sont vastes, étendues et essentielles, pour ne citer que l'industrie automobile, l'industrie aérospatiale, la construction et bien d'autres encore.
Les billettes brutes sont transformées en pièces de précision capables de résister à des niveaux plus élevés de stress, de fatigue et de corrosion dans une forge d'aluminium. Au final, on obtient un matériau à la fois solide et léger, ce dont la plupart des industries modernes ne peuvent se passer.
La technologie évolue et devient encore plus significative en termes d'aluminium forgé et de forgeage de l'aluminium, et elle va occuper une position de premier plan dans la sphère des innovations en matière d'ingénierie et de fabrication.
FAQ
Q1 Quelles sont les industries qui utilisent le mieux le forgeage de l'aluminium ?
Des secteurs tels que l'aérospatiale, l'automobile, la marine et la construction intègrent le forgeage de l'aluminium dans leurs applications afin d'obtenir des pièces robustes et légères d'une fiabilité exceptionnelle.
Q2 : Quels sont les alliages forgés par GC Precision Mold ?
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Q3 : Proposez-vous des solutions spéciales de forgeage ou de fonderie utilisant l'aluminium ?
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Q4 : Quelle est la comparaison entre l'aluminium forgé et l'aluminium moulé ?
Plus solide, plus dense, plus polyvalent et plus dur que l'aluminium moulé, l'aluminium forgé a été utilisé pour gérer les charges lourdes et les applications critiques.