Contribution à la simulation numérique des procédés de mise en forme

Généralités

Les matériaux métalliques sont encore très présents dans les produits manufacturés et leur utilisation est souvent incontournable en particulier lorsque les critères de tenue mécanique sont prépondérants. On peut ainsi les retrouver dans de nombreux domaines comme les transports, l’électroménager, l’énergie, l’habitat…

D’après une étude du Service des Etudes et des Statistiques Industrielles (SESSI) du Ministère de l’Economie des Finances et de l’Industrie *Ses08], le secteur « découpage – emboutissage » est à la deuxième place, en chiffre d’affaire dans le secteur du travail des métaux. Ce secteur représente 38562 emplois en France et un chiffre d’affaire de 5806 millions d’euros.

Cette étude montre également qu’une part très importante du chiffre d’affaire de ce secteur est réalisée par l’industrie automobile pour la mise en forme de tôles métalliques à haute valeur ajoutée. Le développement et/ou l’amélioration des procédés de mise en forme des tôles est un enjeu majeur pour répondre à l’évolution des contraintes fonctionnelles des produits. L’expertise acquise dans la maîtrise de ces procédés permet de préserver des emplois et des compétences sur les sites industriels existants en évitant la délocalisation de nombreuses entreprises.

Le projet « Formage Avancé »

Le Pôle de compétitivité EMC² a pour ambition de conforter des positions de leaders mondiaux dans la réalisation de grands ensembles métalliques et composites complexes sur les marchés de la plaisance, de l’aéronautique, de l’automobile et de la construction navale civile et militaire, de développer un espace d’excellence en matière de recherche et d’applications industrielles sur les technologies-clés liées à la mise en œuvre des matériaux métalliques et composites, aux procédés associés et à la maîtrise des processus industriels complexes.

Sur ce champ d’activités, le terrain de jeu est mondial. L’élargissement européen et l’accélération de la croissance asiatique font émerger des capacités de production mécanique en Europe centrale, en Corée du Sud, en Chine … Dans ce contexte hyper concurrentiel, des entreprises des Pays de la Loire réalisent des ensembles métalliques et composites complexes de classe mondiale, en particulier dans les domaines de prédilection de ce pôle de compétitivité.

La maitrise de cette complexité est aujourd’hui une des compétences distinctive du pôle EMC² . Il s’agit d’un atout majeur dans la compétition internationale qu’il convient de cultiver pour conforter en permanence ses avantages concurrentiels. Exceller dans la complexité réside tout autant dans la performance individuelle de chacun des composants que dans l’intelligence des interfaces et des assemblages. En région des Pays de la Loire ce sont plus de 90 000 emplois qui sont concernés par cet enjeu.

Pour répondre à ces attentes, Le pôle de compétitivité EMC² a labellisé le projet «Formage Avancé » en novembre 2005 sous la référence MP05.

Les objectifs du projet sont de développer les procédés de formage avancés relatifs aux emboutis profonds, aux tuyauteries et corps creux ainsi qu’aux structures raidies dans un but d’intégration de fonctions afin de gagner de la masse, miniaturiser les ensembles et réduire le nombre d’interfaces. On améliore ainsi la qualité, la précision et la durabilité des sous ensembles réalisés à partir de ces éléments. Ces problématiques doivent être intégrées dès la conception des pièces et sous ensembles. Il est nécessaire de développer les outils permettant l’intégration des règles métiers relatives aux procédés, c’est-à-dire de développer des stratégies CFAO d’intégration d’ensembles et de sous ensembles dans une même pièce correspondant aux procédés visés. Il faut développer une plate-forme de compétences et une plateforme de logiciels intégrés utilisables et diffusables par et vers une communauté industrielle et scientifique extérieure au groupe d’acteurs du projet.

Le projet est proposé par deux partenaires spécifiants qui font partie des groupes industriels majeurs de la Région des Pays de la Loire à savoir :
– Auto Châssis International (groupe Renault),
– MECACHROME
Trois PME participent au projet :
– HYDRO-PROCESS, société spécialisée dans les techniques d’hydroformage et dans la conception et réalisation de machines et de pièces de toutes dimensions.
– CHASTAGNER DELAIZE, société spécialisée dans la conception et réalisation d’outillages de mise en forme des matériaux.
– ACB, société qui travaille dans le domaine de la superplasticité des matériaux, de l’élasto-formage, du soudage par friction linéaire et est considérée comme un fournisseur mondial de presses de formage superplastique.
Les partenaires universitaires sont représentés par :
– le Centre de Mise En Forme des matériaux (CEMEF – Mines ParisTech) ;
– le Centre de Recherche Outillages, Matériaux et Procédés (CROMeP – École des Mines d’Albi) ;
– l’Institut de recherche en Génie civil Et Mécanique (GeM – École Centrale de Nantes) ;
– l’Institut de Recherche en Communication et Cybernétique de Nantes (IRCCyN – École Centrale de Nantes) ;
– le Laboratoire Arts et métiers ParisTech d’Angers (LAMPA – Arts et Métiers ParisTech) ;
– l’École Nationale Supérieure de Micro-Mécanique de Besançon (FEMTO-ST – ENSMM) ;
– l’Institut Supérieur d’Ingénierie de la Conception de Saint-Dié-des-Vosges (ERMeP- GIP-InSIC).

La concrétisation de ce projet nécessite la formalisation d’un outil métier de simulation numérique permettant de prendre en compte dès la conception des pièces, les problématiques liées à leur mise en œuvre. La robustesse et l’adaptabilité de cet outil aux besoins des différents partenaires seront assurées par TRANSVALOR, développeur du code FORGE®. Enfin, la capitalisation des connaissances acquises, l’animation d’un réseau de compétences et la valorisation des résultats constituent un ensemble de tâches qui ont été confiées à un organisme régional, SYNERVIA.

Les procédés étudiés dans le projet

Dans le cadre de ce projet, différents procédés de mise en forme des tôles minces sont étudiés pour répondre aux demandes des industriels. Ils sont :

Le formage incrémental :
Le formage incrémental consiste en la réalisation d’un étirage ou d’un estampage pour lequel une partie au moins de la forme obtenue est constituée par l’enveloppe des trajectoires d’un doigt de formage. Comparé aux techniques conventionnelles d’emboutissage profond, le point à partie duquel la compétitivité disparait se situe à environ 500 pièces pour les pièces de grandes dimensions.

L’étirage à chaud :
Ce procédé est principalement destiné à la mise en forme de grandes dimensions (par exemple des panneaux de fuselage de plus de 10 m de long). L’étirage à chaud permet de conférer de la ductilité à des alliages aluminium haute performance dont les taux de déformation plastique admissible à la température ambiante sont très faibles.

La gamme classique dans ce cas est d’étirer la pièce juste après trempe. Le temps ouvert après trempe est de quelques heures seulement ce qui pose des problèmes complexes en termes d’organisation d’atelier. L’opération doit éventuellement être renouvelée (étirage en plusieurs passes) nécessitant le repositionnement de la pièce formée sur la machine, puis la réalisation d’un traitement de revenu, pendant lequel la pièce peut évoluer en forme (relaxation des contraintes internes).

Les sujets scientifiques concernent la possibilité d’appliquer le chauffage à une température suffisante (150°C à 300°C selon les alliages), la maîtrise des outillages et notamment des problèmes de dilatation différentielle et l’évaluation des comportements à chaud des matériaux utilisés.

L’hydroformage :
L’hydroformage consiste à déformer des tôles ou des tubes grâce à un liquide sous pression. Une matrice est nécessaire pour obtenir la géométrie souhaitée. L’avantage de ce procédé est qu’il permet de déformer la pièce dans des zones inaccessibles par d’autres moyens. Ce procédé permet ainsi d’obtenir des géométries complexes, notamment des corps creux asymétriques. Dans le domaine de l’automobile, les développements industriels de l’hydroformage s’appuient sur une approche empirique puisqu’il n’existe pas de simulation permettant de connaître les caractéristiques de charges et de contraintes avec une prédiction suffisante.

L’emboutissage à chaud :
L’emboutissage à chaud a l’avantage de mieux contrôler le retour élastique par rapport à l’emboutissage à froid. De plus, il permet de réaliser un traitement thermique (souvent une trempe dans l’outillage) pendant la phase de mise en forme. Dans le domaine de l’automobile, le seul exemple d’emboutissage à chaud existant concerne la réalisation de pièces dédiées à la fonction crash (traverse extrême avant). Par contre il n’existe aucun développement de pièces participant à la fois aux fonctions endurance, fatigue et choc. Les travaux concernant ce procédé, dans ce projet, sont de définir les modes de déformations des matériaux, les cinétiques mécaniques et thermiques, les caractérisations mécaniques des pièces pour pouvoir les intégrer dans les modèles de simulation, endurance et choc.

Le formage superplastique :
La mise en forme superplastique est une solution de mise en forme alternative qui permet l’obtention d’emboutis profonds avec intégration de fonctions. Les alliages à hautes caractéristiques mécaniques tels que les superalliages s’avèrent pratiquement indéformables par des procédés conventionnels car les outillages ne peuvent pas supporter les efforts appliqués. Le formage de ces matériaux fait appel à d’autres techniques plus élaborées telles que le gonflage superplastique qui peut être associé pour certains alliages au soudage par diffusion. Un procédé alternatif pour réaliser des pièces aéronautiques consiste à utiliser des techniques de compression isobare de nano-poudres dans des moules à enveloppes perdues. Les difficultés rencontrées dans la réalisation de ces enveloppes par des procédés de mécano-soudage conventionnels nous conduisent à envisager leur réalisation en formage superplastique. La retouche et la finition des moules doivent éventuellement faire appel à l’enchainement du procédé de superplasticité avec d’autres procédés de mise en forme (tel que par exemple le formage Incrémental).

L’enchaînement des procédés est également proposé 

Les différents procédés, hydroformage, étirage à chaud, formage incrémental et le formage superplastique possèdent encore un potentiel de développement significatif en travaillant distinctement sur chaque procédé. En considérant les associations de ces procédés entre eux, les développements rendus possibles ouvrent un champ d’étude nouveau : conception et réalisation d’organes en 5 à 20 fois moins de pièces sur des fonctions comme les collecteurs de vapeur dans la construction navale, les châssis avant et arrière dans l’automobile, les assemblages structuraux ou les ensembles de tuyauteries dans l’aéronautique. Le potentiel de l’enchaînement de procédés est très élevé et peut conduire à un allègement de 30 à 50 %, à une sécurisation des organes en limitant le procédé d’assemblage au juste minimum, écartant ainsi les risques procédé et qualité associés. Par contre il est indispensable au niveau scientifique d’être en mesure de développer des méthodologies de conception de ces gammes de fabrication, de caractérisation des pièces et des matériaux issus de ces formages successifs.

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Table des matières

CHAPITRE 1 INTRODUCTION GENERALE
1.1 GENERALITES
1.2 LE PROJET « FORMAGE AVANCE »
1.3 LES PROCEDES ETUDIES DANS LE PROJET
1.4 PROBLEMATIQUE ET OBJECTIFS
CHAPITRE 2 LE FORMAGE SUPERPLASTIQUE
2.1 GENERALITES SUR LA SUPERPLASTICITE
2.1.1 Introduction
2.1.2 Paramètres fondamentaux
2.1.3 Matériaux
2.1.4 Modèles de comportement
2.2 PRINCIPE DU PROCÈDE DE FORMAGE SUPERPLASTIQUE
2.3 GESTION DE LA PRESSION DE FORMAGE
2.3.1 Etude bibliographique
2.3.2 Algorithmes mis en œuvre
2.4 APPLICATIONS
2.4.1 Forme axisymétrique
2.4.2 Forme complexe
CHAPITRE 3 LE FORMAGE INCREMENTAL
3.1 PRINCIPE DU PROCEDE
3.1.1 Mise en œuvre
3.1.2 Applications
3.1.3 Matériaux
3.2 PHENOMENES ASSOCIES AU FORMAGE INCREMENTAL
3.2.1 Formabilité
3.2.2 Caractérisation du comportement du matériau
3.2.3 Influence des paramètres sur la qualité de la pièce
3.3 ETAT DE L’ART DE LA SIMULATION NUMERIQUE
3.3.1 Simulation du procédé de formage incrémental
3.3.2 Méthodes utilisées pour diminuer les temps de simulation
3.4 CHAINE NUMERIQUE POUR LA SIMULATION
3.4.1 Création de la trajectoire
3.4.2 Conversion des trajectoires
3.5 VITESSE NUMERIQUE ADAPTEE
3.5.1 Schéma dynamique explicite
3.5.2 Critères de quasi-statisme
3.5.3 Profil de la vitesse
3.5.4 Modification de la vitesse
3.5.5 Résultats
3.6 CALCULS ELASTO-PLASTIQUES
3.6.1 Critères de plasticité
3.6.2 Théorie de l’écoulement plastique
3.6.3 Théorie de la déformation
3.6.4 Comparaison et validation
3.7 GESTION DU CONTACT
3.7.1 Les principaux algorithmes de contact
3.7.2 Approche simplifiée du contact
3.7.3 Comparaison et validation
CONCLUSION
PERSPECTIVES
BIBLIOGRAPHIE

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