Le marteau-pilon à vapeur fut mis au point en 1839 par l'Écossais James Nasmyth (également orthographié Naysmyth, 1808-1890). Disponible dans une large gamme de dimensions, cette machine à vapeur était utilisée pour forger et façonner de très grandes pièces de métal à usage industriel. Nasmyth fit fortune grâce à une invention qui devint cruciale pour les grands projets d'ingénierie de la révolution industrielle.
La machine à vapeur
L'invention de la machine à vapeur se fit en plusieurs étapes et impliqua plusieurs inventeurs. En 1698, Thomas Savery (vers 1650-1715) inventa une pompe à vapeur destinée à débarrasser les puits de mine des eaux de crue. En 1712, Thomas Newcomen (1664-1729) adapta la conception de Savery pour créer une machine à vapeur autonome beaucoup plus puissante. Ensuite, James Watt (1736-1819) développa le concept de Newcomen et, en 1778, il avait considérablement réduit la consommation de carburant de la machine à vapeur et augmenté à nouveau sa puissance. Les ingénieurs continuèrent à améliorer le moteur jusqu'à ce qu'il fonctionne avec une pression suffisamment élevée pour créer une puissance capable de déplacer de grands poids. L'ingénieur écossais James Nasmyth eut l'idée qu'une telle puissance pourrait être utilisée dans un marteau industriel pour forger et plier de grandes pièces de métal destinées à être utilisées dans l'industrie de la construction et de la fabrication, voire pour de nouveaux moteurs à vapeur plus efficaces.
Concevoir pour Brunel
Comme c'était souvent le cas pendant la révolution industrielle, la nécessité était la mère des inventions. James Nasmyth fut encouragé à créer son marteau-pilon à vapeur parce que d'autres ingénieurs avaient besoin de grandes pièces de métal pour leurs propres inventions. Isambard Kingdom Brunel (1806-1859), personnage clé de cette période d'industrialisation rapide, était occupé par toutes sortes de projets, mais l'un d'entre eux, en particulier, allait bénéficier du marteau-pilon à vapeur. Brunel construisait des navires à vapeur géants comme le SS Great Western et le SS Great Britain, achevés respectivement en 1838 et 1843. La conception de ce dernier navire était innovante puisqu'il était doté d'une source d'énergie à hélice, mais en 1839, alors qu'il n'en était encore qu'au stade de la planification, Brunel se concentrait sur l'utilisation de roues à aubes géantes, qui nécessitaient des arbres de transmission en métal d'environ 76 cm (30 in) de diamètre. À l'époque, il n'existait aucune forge ou machine-outil suffisamment grande pour créer de telles pièces métalliques pour l'industrie lourde. Brunel écrivit à son ami Nasmyth, un spécialiste des machines-outils qui fournissait déjà de nombreuses pièces pour le projet de la Grande-Bretagne, dans l'espoir de trouver une solution. Comme l'histoire du travail du métal le sait maintenant parfaitement, Nasmyth et son équipe d'atelier réussirent à relever le défi.
James Nasmyth
Nasmyth avait bricolé des machines à vapeur pendant la majeure partie de sa vie, y compris dans son enfance à Édimbourg où il avait construit de petits modèles fonctionnels. Le père de James, Alexander, connu avant tout comme un artiste, s'intéressait également à l'ingénierie et possédait même une forge dans la maison familiale. James avait acquis une expérience pratique inestimable lorsqu'il avait travaillé dans le célèbre atelier d'ingénierie de Henry Maudslay (1771-1831) à Londres. Maudslay avait inventé le tour de précision en métal parmi d'autres innovations, et il était l'homme à associer à tout ingénieur qui se respectait à l'époque. Nasmyth aimait les machines, mais ce n'était pas un idéaliste qui essayait de créer un monde meilleur. Il était plutôt la personnification de l'esprit de la révolution industrielle, cherchant constamment à savoir comment un processus pouvait être rendu plus efficace en "réduisant les coûts de main-d'œuvre et la dépendance à l'égard d'ouvriers peu fiables" (Waller, 45). Comme le dit Nasmyth lui-même, "[les machines] étaient toujours prêtes à travailler et n'avaient jamais besoin de vacances" (ibid., 113).
Après avoir déménagé à Manchester, Nasmyth établit sa propre fonderie en août 1836. Le rusé Nasymth s'était assuré que sa fonderie Bridgewater ait eu un emplacement parfait près d'un canal, d'un chemin de fer et d'une route pour distribuer facilement ses locomotives, machines, outils et produits métalliques. Il y fabriqua une grande variété de machines-outils de précision et 109 locomotives à vapeur au cours des deux décennies suivantes, dont 20 pour la Great Western Railway Company de Brunel. Nasmyth n'était cependant pas satisfait et continua d'inventer. Grâce à sa famille et à ses propres efforts, il disposait de très bonnes relations. Il était relativement facile d'obtenir des fonds de la part d'investisseurs en capital-risque désireux d'accroître leur fortune grâce aux nouvelles technologies, et Nasmyth semblait être un homme capable d'inventer une véritable machine à gagner de l'argent. Le moment était également bien choisi, car les industries mécanisées - textiles, mines et chemins de fer - étaient toutes en plein essor grâce à la machine à vapeur et la demande d'outils, en particulier, était insatiable.
Nasmyth fit remarquer à son partenaire commercial Holbrook Gaskell que "nous vivons en effet une époque glorieuse pour les ingénieurs. Je n'ai jamais été dans un tel état d'agitation de toute ma vie... une telle quantité de gens viennent frapper à la porte de mon petit bureau du matin au soir" (Waller, 106). L'ingénieur avait saisi très tôt l'un des principes clés de la révolution industrielle: utiliser des machines pour créer des outils, qui pouvaient créer de meilleurs outils, qui pouvaient à leur tour créer de meilleures machines. Vers 1839, Nasmyth trouva sa poule aux œufs d'or, le marteau-pilon à vapeur.
Le mécanisme
Le principe du marteau-pilon de Nasmyth était qu'un moteur à vapeur (qui utilisait l'expansion de l'eau chauffée pour actionner un mécanisme à piston et tige) soulevait un grand poids et le laissait ensuite tomber verticalement sur le métal à plier, généralement du fer ou de l'acier. En outre, le métal pouvait simplement être martelé alors qu'il était encore chaud pour éliminer le plus d'impuretés possible. Le métal à travailler reposait sur un bloc d'enclume avec une plaque d'enclume réglable qui pouvait être utilisée pour donner au métal pressé la forme désirée. Les premiers modèles se contentaient de soulever un grand poids et de le laisser tomber, mais des perfectionnements furent rapidement apportés, notamment par Robert Wilson, le directeur de la fonderie de Nasmyth. Fondamentalement, la nouvelle machine utilisait des engrenages de contrôle pour gérer la vitesse de descente du poids. Elle pouvait également déplacer le poids avec précision puisqu'il suivait des glissières lors de sa descente. Ces contrôles de précision permettaient de plier un nombre quelconque de pièces de métal exactement de la même manière, ce qui était important pour la construction de grands objets métalliques composés de pièces composites uniformes, comme un moteur de chaudière par exemple. À l'autre extrémité de l'échelle, comme Nasmyth aimait à le démontrer aux visiteurs de sa fonderie, la précision délicate dont le marteau-pilon était capable signifiait qu'un poids de 2,5 tonnes pouvait écraser une coquille d'œuf placée dans un verre à vin sans endommager le verre. Tout cela pouvait être réalisé par un seul homme actionnant avec désinvolture un simple levier. Certains marteaux pouvaient donner 220 coups par minute. Le marteau-pilon à vapeur était un pas de géant par rapport à la faible puissance, la lenteur et l'imprécision générale des anciens marteaux lourds actionnés par des roues à eau.
Nasmyth fit breveter son invention en 1842 après avoir visité les usines du Creusot en France et vu son concept en pleine action (il y a un débat quant à savoir si la société française avait copié les premiers dessins de Nasmyth ou si elle avait développé son propre marteau-pilon à vapeur de manière totalement indépendante). Quoi qu'il en soit, une fois qu'une machine était en service, il était inévitable que les ingénieurs y apportent leurs propres améliorations. De nouveaux développements dans la conception du marteau-pilon à vapeur firent en sorte que la vapeur du moteur soit utilisée non seulement pour abaisser le poids mais aussi pour le pousser vers le bas. Cela tripla presque la puissance des machines et la gamme de pièces métalliques qu'elles pouvaient manipuler. L'industrie en raffola et, en Grande-Bretagne du moins, Nasmyth domina le marché. Très souvent, les clients, après en avoir acheté un ou deux, revenaient en commander d'autres. La fonderie de Nasmyth produisit 493 marteaux-pilons à vapeur entre 1843 et 1856, de loin le produit le plus vendu de l'Écossais.
Utilisations du marteau à vapeur
Le marteau en fonte et en acier pouvait être utilisé pour des objets de toutes tailles, des plus grands, comme les poutres de pont, aux plus petits, comme les pièces de monnaie. Brunel changea d'avis et abandonna les roues à aubes pour le SS Great Britain, mais beaucoup d'autres personnes étaient intéressées par la machine de Nasmyth. Certaines des entreprises les plus célèbres de Grande-Bretagne achetaient des marteaux-pilons à vapeur, de la Great Western Railway Company à Stephenson & Co, fabricants de la fusée de Stephenson. À partir de 1850 environ, la Royal Mint utilisa un marteau-pilon à vapeur pour fabriquer des pièces de monnaie, et cette machine eut très clairement une grande longévité, puisqu'elle resta en service jusqu'en 1933. La fabrication d'armes lourdes était une autre industrie qui avait besoin des capacités du marteau-pilon à vapeur, et Nasmyth remporta un contrat lucratif avec l'arsenal de Woolwich. Les arsenaux de la Royal Navy achetèrent 11 marteaux-pilons à vapeur à la fonderie Bridgewater pour construire leurs navires de guerre. La célèbre imprimerie De La Rue, qui produisait les billets de banque du pays, fut un autre client. Nasmyth avait compris la valeur de la démonstration et d'un bon marketing. Il savait que ses marteaux géants étaient impressionnants et n'hésitait jamais à saisir une occasion de prendre des photos; il accueillait souvent des visiteurs de marque dans sa fonderie, y compris des dignitaires étrangers comme le Grand Duc de Russie et le Rajah de Sarawak.
Les marteaux furent également adaptés à de nouvelles utilisations, par exemple pour enfoncer des pieux dans le sol lors de projets de construction. À mesure que l'industrie lourde se diversifiait et que les trains, les navires et les armements devenaient de plus en plus grands et nombreux, de plus en plus de marteaux à vapeur étaient fabriqués selon des spécifications plus grandes et plus variées. Les marteaux à vapeur atteignirent une taille prodigieuse, certains mesurant plus de 10,6 mètres (35 pieds) et pesant 90 tonnes, ce qui signifiait qu'ils créaient un bruit énorme que l'on pouvait entendre dans toutes les villes. C'était certainement une merveille, et il n'est pas surprenant qu'un marteau-pilon à vapeur Nasmyth ait été une attraction géante de la grande exposition de 1851 au Crystal Palace de Londres. La machine fut l'un des lauréats de l'exposition.
Outre les marteaux-pilons à vapeur et les locomotives, l'entreprise de Nasmyth continua à construire des forets, des poinçonneuses et des presses utilisés dans le monde entier avant qu'il ne décide de prendre une retraite anticipée après avoir fait fortune. Nasmyth passa sa retraite dans la campagne du Kent, où il baptisa son immense manoir Hammerfield. Nasmyth se fit également faire un blason qui, inévitablement, comprend un marteau. L'inventeur toujours curieux se consacra à d'autres intérêts, notamment l'astronomie et l'étude de la Lune qu'il observait à l'aide de télescopes sophistiqués qu'il avait lui-même fabriqués. Nasmyth mourut le 7 mai 1890 à Londres, et ses cendres furent envoyées en Écosse. Curieusement, pour un homme qui avait laissé derrière lui une fortune de 250 000 livres sterling (plus de 24 millions de livres sterling ou 29 millions de dollars d'aujourd'hui), les héritiers de Nasmyth firent transporter sa dépouille par train dans un simple sac en papier afin d'éviter de payer les coûts élevés habituellement appliqués. La raison réside peut-être dans le fait que Nasmyth avait laissé la majeure partie de son patrimoine à diverses organisations caritatives. En reconnaissance de sa contribution aux études lunaires, un cratère sur la Lune porte le nom de Nasmyth.
