Définition d un concept pour la découpe rayonnée des pare-chocs

Transcription

1 d un concept pour la découpe rayonnée des pare-chocs Projet de Fin d Etude Plastic Omnium Auto Exterior INSA de Lyon GMC MIP2 Laurent Martinod Olivier Tavenas 1

2 Sommaire de projet Analyse physique du poinçonnage Optimisation du poinçonnage par poinçonnage Découpe / Rayon multiaxes / Ouverture 2/47

3 du projet Découpe 4 PDC : alésage débouchant de Ø=18mm 2 SRA : poche débouchante trapézoïdale de 40 mm * 80 mm Rayon constant de 1.2 mm R=1,2mm 3/47 Contraintes Géométrique : tolérance 0.1mm Industrielle : maintenance, temps de cycle Qualité : bavures, traces blanches, fils

4 Etat de l art 4/47 Découpe par poinçonnage Standard Toutes formes réalisables Bavures, fils Sur tas Effort de coupe très élevé Bonne portance nécessaire Limite de taille Bavures plus petites Usure du tas Ultrasonore Non viable pour les trous SRA Pas de bavure Procédé complexe Poinçon Pare choc Matrice Poinçon Pare choc Tas Poinçon excité par ultrasons Pare choc Tas amovible

5 Etat de l art par poinçonnage Déformation plastique 5/47 Problématique Bavure Fil Qualité de la tranche Rayon d aspect irrégulier

6 Planification 28/03 : Réunion lancement PFE Etat de l art, recherche MATChEM 11/04 : Réunion lancement TRIZ Analyse physique, réunion M. Papapietro 26/04 : 2 ième réunion TRIZ Biblio, brainstorming 15/05 : Trie des solutions TRIZ Préparation travaux S2E, étude EF, contact fournisseurs 22/05 : Réunion avec S2E, contacts fournisseurs (Axiome, SONIMAT, outilleurs, poinçonneur ) 12/06 : Réunion ESCIL (fil diamant) 18/06 : Réunion Mécasonic 20/06 : Réunion Process Industrie 22/06 : Réunion avec 3M 6/47

7 Méthode TRIZ 7/47

8 Méthode TRIZ 8/47 Contradictions La chute doit être maintenue pendant la coupe, mais pas à la fin de la coupe Le poinçon doit être le plus fin et le plus résistant possible Analyse physique poussée Zoom 40 principes

9 Démarche Concentration sur les trous SRA (Cayenne) MATCheM Pourquoi? Temps de cycle, mise en œuvre, coût Démarche résolution de problème TRIZ Mécanisme de coupe? Mécanisme physique du poinçonnage Origine bavure / fil? Rayon Perpendicularité tranche/peau Découpe multiaxes 9/47

10 Généralités sur le matériau Polypropylène chargé à l EPDM Fréquemment utilisé dans l automobile Excellentes capacités à absorber l énergie Très bonne résistance aux chocs 10/47

11 Microstructure PP EPDM Matrice : polypropylène Semi cristallin Additif : EPDM ( 20%) Élastomère : déformation jusqu'à 600% Sphère de quelques µm 11/47

12 Comportement mécanique Déformation Phase amorphe Phase cristalline 12/47

13 Comportement mécanique Plasticité - Rupture 2 phénomènes mis en jeu : Bandes de cisaillement Craquelures Influence des nodules d EPDM Augmentation des processus de plasticité 13/47

14 Comportement mécanique Influence de la température Température de transition vitreuse T g : Variation brutale (de 100 à 1000) du module d élasticité dans une variation de 5 à 10 C 14/47 Equivalence temps/température Augmentation de la vitesse (1 à 2 décades) Diminution de la température (-10 C)

15 Paramètres critiques 15/47 Moyen / conditions extérieures : Vitesse d avance Effort de poinçonnage Géométrie du poinçon Angle de coupe Forme du poinçon Jeu poinçon matrice Jeu poinçon dévêtisseur Effort dévêtisseur Température De l outillage De l extérieur Pare choc / : Composition (cf. fiche matériau) Caractéristiques mécaniques : limite élastique, ténacité Température Epaisseur (3.2mm) Conductivité thermique

16 Mécanismes de la découpe actuelle 4 étapes : Déformation élastique Déformation plastique Apparition de macros fissures Rupture ductile Fissures Rupture des Fluage fibres Etirement des fibres 16/47 Origine de la bavure Déformation plastique et fluage de la matière trop importants avant la rupture

17 Cause à effet Bavure / Etat de la tranche Vitesse de déformation Température Propagation de la fissure Initiation de la fissure Atteinte d un état de contrainte critique Un fracture fragile est plus propre qu une fracture ductile. Elle est aussi plus dure à maitriser. Ces deux paramètres influent sur le comportement du PP : suivant leur valeur on passe d un comportement ductile à un comportement fragile L équivalence temps / température permet d obtenir un comportement fragile sans avoir à prendre des valeurs extrêmes de la température ou de la vitesse : Une vitesse élevée est équivalente à une basse température Jeu poinçon / matrice Il faut obtenir le jeu le plus faible possible Forme de l outils La forme de l outil influe sur la champ de contrainte : - Outil plat Bande de cisaillement - Outil en «pointe» Concentration de contrainte en bout de lame 17/47 Conditions aux limites Les conditions aux limites influent sur l état de contrainte initiale dans la matière : - Contrainte hydrostatique S oppose à l état de contrainte critique initiant la fracture

18 Optimisation : jeu poinçon - matrice Concept : Réduire le jeu afin de limiter le fluage de la matière entre le poinçon et la matrice Favorise le cisaillement Jeu actuel = 0.02mm Contact avec ChromeBN et S2E : limite technique (précision des guidages, dilatation thermique) 18/47

19 Optimisation : prédécoupe Concept : Réaliser une prédécoupe afin de modifier l état de contrainte du matériau Vue en coupe d une chute : Déformations importantes effet néfaste : consommation d énergie dans la déformation Schéma : gorge 19/47

20 Optimisation : forme de l outil Concept : Amincir le poinçon pour réduire l effort sur le chute du aux frottements : Comparaison des champs de contrainte par éléments finis Traction Cisaillement dans la direction 1 20/47

21 Optimisation : forme de l outil Maximiser la transmission d énergie sur l'arête du poinçon Localiser une concentration de contrainte pour favoriser la fissure Découpe par emporte pièce Avantage supplémentaire : réduction de l effort de coupe 21/47

22 Optimisation : forme de la matrice Concept : Optimiser l amorce de rupture du coté de la matrice Création d une arête vive sur la matrice Réduit le fluage de la matière Mise en position délicate Ajout d un poinçon : -Le premier poinçon réalise un poinçonnage partiel : création d une concentration de contraintes coté matrice, le dévêtisseur joue le rôle de tas -Le second poinçon réalise le poinçonnage 22/47

23 Optimisation : retrait du poinçon Concept : Diminuer les frottements sur la tranche en favorisant le retrait du poinçon : Poinçon rétractable Arbre conique Limitation : Aspect laissé aux jointures 23/47

24 Optimisation : ultrason Modifier la forme du poinçon pour le rendre compatible avec un procédé à ultrasons Limitations de la technologie de découpe par ultrasons (taille?, forme?) Différence de hauteur Sens de vibration Amplitude vibratoire constante = D< 10mm Taille : ne pose pas de problème pour les SRA (à confirmer) 24/47

25 Optimisation : vitesse/température Concept : favoriser le comportement mécanique du matériau en modifiant la vitesse et la température Photo de la tranche Polypropylène pur Domaine (D) Vitesse : 1.9x10 3 mm/min Température : 23 C Domaine (B) Vitesse : 28x10 3 mm/min Température : -20 C 25/47 Limitations : mise en œuvre industrielle - temps de refroidissement (conductivité thermique faible) - maitrise de la température du matériau et de l outillage - réalisation du système de poinçonnage à grande vitesse

26 Optimisation : «fine blanking» Concept initial : maintenir la chute pendant l opération de poinçonnage Concept validé : modifier l état de contrainte du matériau pour favoriser le cisaillement Le matériau est mis sous contrainte hydrostatique standard Fine blanking 26/47 Limitation : Peu d application dans le domaine des polymères

27 Synthèse : Deux approches opposées Emporte pièce «Fine blanking» Poinçon très fin pour favoriser une fracture Dispositif, poinçon, contre poinçon matrice dévêtisseur favorisant un cisaillement pur Expérimentations à réaliser Adapter le couple Vitesse / Température Limitations : difficultés à maitriser rapidement la température de la zone à poinçonner Résultats garantis 27/47

28 Problème avec le rayon Impossibilité de reproduire une surface gauche Mise en place d une surface réglée Section : quart de cercle avec r = 1.2 mm Création de bourrelet 28/47

29 Problème avec le rayon La différence entre le rayon de l outil et le rayon créé vient du retour élastique Prévisible par éléments finis 29/47

30 Problème de l angle La non constance du rayon s explique par l angle tranche/peau 30/47

31 Génération de concepts Angle tranche / peau 90 31/47

32 Génération de concepts Angle tranche / peau = 90 32/47

33 Génération de concepts Intégration du rayon à l opération de poinçonnage Insert soudé Soudure visible après peinture Rayon et tranche moulés 33/47

34 Synthèse : Rayon Solution : tranche et peau perpendiculaire en tous points de la périphérie 2 cas Surface quasi plane fait naturellement la perpendicularité par déformation plastique viable Surface gauche Nécessité d une découpe multiaxes par enlèvement de matière par déformation plastique viable dans certains cas 34/47

35 Simulation Numérique Utile dans deux cas Avantage Travail sur les paramètres du procédé sans investissement en matériel Visualisation du résultat «a priori» Difficulté Modèle «éléments finis» maitrisé Loi de comportement du PP EPDM à intégrer 35/47

36 Découpe multiaxes Machine 6 axes, exemple bras robotisé Procédé Découpe perpendiculaire Rayon par enlèvement de matière Etude Arrive à faire la découpe / le rayon? Avantages? Inconvénients? Industrialisation? 36/47

37 Fil chaud Découpe possible Rayon possible (fil préformé) Inconvénients Très lent Nécessite un passage de fil Industrialisé sur les matériaux «basse densité» (50kg/m3) En cours d essai sur les matériaux «haute densité» (1000 kg/m3) Très mauvaise qualité de tranche 37/47

38 Découpe possible Rayon impossible Inconvénients Très lent Fil diamanté Fil cassant (Ø = 10µm) Fait pour des matériaux très dur Passage de fil fastidieux et non automatisable Utilisation non industrielle Phase 1 Phase 2 38/47

39 Découpe laser Laser embarqué ou support mobile Avantages Rapide, précis, résultat de qualité, pas de consommable Inconvénients Couteux, sécurité des opérateurs Procédé couramment industrialisé Rayon Chanfrein multi-pans 39/47

40 Fraisage grande vitesse 40/47 Découpe possible ( trs/min) Rayon possible Outil de forme Avantages Flexible Inconvénients Copeaux, encrassement Industrialisation Découpe maitrisée Rayon Mise au point de l outil de forme Risque de problème sur les faibles profondeurs de passe (déformation à la tangence) Préconisé et maitrisé par Axiome

41 Brossage 2 outils abrasifs souples Rayon Avantages Constance de l abrasion, rapide Inconvénients Consommable, poussière Déjà industrialisé sur d autres plastiques Risque de stries Pression constante Interface 3M Avance Broche 41/47

42 Découpe par lame Lame courbe Rayon Avantages Simplicité, qualité Inconvénients Effort nécessaire, usure, virages Mise au point Lame courbe Maitrise de la trajectoire 42/47

43 Découpe par lame US Découpe par lame ultrasonore Avantages Découpe très propre Rapide (5m/min) Par d enlèvement de matière Maitrisé par SONIMAT Inconvénients Bourrelet Passage des virages 43/47

44 Découpe par lame US Mise au point Maitrise du bourrelet Profondeur de passe faible Vitesse d avance régulière Trajectoire propre Lame bizauté que d un coté Passage des virages Talonnage Talonnage Augmente le bourrelet Lame courbe Lame non US spécifique pour les virages 44/47

45 Synthèse : Découpe multiaxes Découpe Laser Fraisage grande vitesse Lame US Rayon Chanfrein multi-pans au laser Fraise de forme Brossage Lame courbe 45/47

46 / Ouverture 46/47 Deux cas Surface quasi plane Améliorations issues de la physique Travail vitesse / température et «fine blanking» Poinçon rayonneur Travailler la forme Surface gauche (Porsche Cayenne) Découpe multiaxes Lame US Rayon par enlèvement de matière Lame courbe PDC et SRA «plan» SRA «gauche» Machine 6 axes Réalisation d un prototype pour validations

47 Questions? 47/47