Optimisation de la thermique par le Conformal Cooling Guillaume Vansteenkiste, chef de projet PEP

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1 Optimisation de la thermique par le Conformal Cooling Guillaume Vansteenkiste, chef de projet PEP

2 Fabrication des outillages d injection CONFORMAL COOLING Problématique: comment maitriser la température dans le moule d injection? Manque de place pour les canaux de refroidissement, Zone critique difficile d accès, soit important gradient de température, Inertie Thermique du moule. Solution du CONFORMAL COOLING avec l ADDITIVE MANUFACTURING Fabrication d outillage d injection : Usinage : refroidissement succession de cylindres Fusion Laser : refroidissement avec canaux complètement libre de forme Conséquences : Rapprochement des surfaces moulantes : gain en temps de cycles (~10 à 40%) Meilleure répartition des canaux : meilleur contrôle de la température et une plus grande homogénéité

3 Additive Manufacturing CONFORMAL COOLING Grandes familles de Mise en Forme des matériaux : Par ablation Par déformation Par addition Sculpture Poterie Architecture Usinage Emboutissage Fabrication rapide/ Procédé génératif?

4 Additive Manufacturing CONFORMAL COOLING Principes des procédés génératifs : fabriquer une pièce directement à partir de sa CAO par apport de matière et sans outillage Possibilité de créer des formes internes complexes Pièce Apport de matière CAO pièce Exemple de canal complexe

5 Additive Manufacturing CONFORMAL COOLING Principes de la fusion laser métallique : transformer poudre métallique en bloc de métal

6 Additive Manufacturing CONFORMAL COOLING Principes de la fusion laser métallique : transformer de la poudre métallique en bloc de métal

7 Additive Manufacturing CONFORMAL COOLING Exemple de machine de fusion laser métallique: Caractéristiques machine EOS : Volume de construction : 250 x 250 x 215 mm Précision : +/- 0.05mm Épaisseur de couches : 20 ou 40 µm Caractéristiques machine PHENIX: Volume de construction : 250 x 250 x 300 mm Précision : +/- 0.05mm Épaisseur de couches : 20, 40 et 80 µm Machine EOS M270 Poudres utilisées : Acier outillage Maraging (1.2709) Inox PH1 Pour autres domaines d application: CoCr, Ti6Al4V, Inconel, Aluminium Machine PHENIX PXL

8 Additive Manufacturing CONFORMAL COOLING Exemple de machine de fusion laser métallique:

9 Fusion laser en injection CONFORMAL COOLING Objectifs : Réduire les temps de cycles des moules d injection Réduire la durée de mise au point du moule (T homogène) Améliorer la qualité des pièces produites Remplacer le CuBe (matériaux à risque pour la santé) Technologie : Fusion laser de poudres métalliques Réalisé par strates de 40 µm Caractéristiques acier Maraging (équivalent Z38CDV5) : Dureté : 37 à 54 HRC après durcissement. Densité : 99,8 % Méthodologie : 1. CAO Etude thermique avec SIGMA 3D 2. Etude fluidique avec FLOWORKS 3. Fabrication par fusion laser 4. Finition UGV 5 axes 5. Contrôle de débit et contrôle thermique (fourniture d un P.V de contrôle) 6. Traitement thermique (pour obtenir la dureté souhaitée)

10 Fusion laser en injection CONFORMAL COOLING Retour d utilisateurs: Fusion laser pour refroidissement Retour d utilisateurs: Fusion laser en application Chaud / Froid

11 CONCEPTION ET REALISATION D OUTILLAGES METALLIQUES USINAGE DE PIECES MECANIQUES DE PETITES ET MOYENNES SERIES GABARITS ET MOYENS DE CONTRÔLE Accompagnement dans la différenciation Produits/Process/Services Technologies Généralistes (mono-matière, multi-matières, dévissage, surmoulage d inserts, silicone liquide) Contact commercial : Nathalie DIDIERLAURENT 21, rue François Rochaix OYONNAX Tél : Fax : Technologies Innovantes (Plastronique, Optimisation thermique, Chaud/Froid)

12 UNE SOLUTION FIABLE DANS LE TEMPS Deux noyaux en Maraging 180 x 150 x 150 ( Hauteur moulante = 100 mm ) Matière : PP 20% FV Recherche d une régulation homogène Régulation dans des zones inaccessibles traditionnellement Pas de reprise d usinage des formes moulantes Bilan : Production depuis Avril 2008 Plusieurs centaines de milliers de pièces produites Aucune anomalie constatée ( fissuration; fuite; grippage; détérioration état de surface )

13 DU FROID AU CHAUD Moule bi-matière 2+2 empreintes Buse d injection Objectif : Maintien d une température faible a l intérieur de la buse dans un environnement de température élevée. Permettre une transition rapide froid/chaud en extrémité.

14 MAITRISE DES DEFORMATIONS Consigne : 40 C Consigne : 12 C Noyau : 35/36 C Noyau : 18/21 C Pièce : 84 C max Pièce : 54 C max Deux noyaux en Maraging 180 x 70 x 115 ( hauteur moulante = 75 mm ) Matière P/E Pièce d aspect grainée sensible à la déformation ( amovible dans le véhicule ) Réguler le sommet du noyau ( largeur 5 mm environ ) Maintenir une bonne gèometrie de la pièce a l état libre Résultats : Maxi 3 C de delta de température entre le différentes zones du poinçon en cycle Pincement de la pièce inférieur au millimètre. Aspect zones visibles homogène ( brillance )

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16 CONCLUSIONS Bilan et perspectives : Une technologie fiable et éprouvée Une bonne opportunité de différenciation (qualité et cout ) Mais une diffusion encore difficile Outil d amélioration de performance et non un palliatif Les axes de progrès : Rapidité et dimensions des équipements Prix de la techno (matière première et mise en œuvre )

17 Fusion laser en injection CONFORMAL COOLING Retour d utilisateurs: Fusion laser pour refroidissement Retour d utilisateurs: Fusion laser en application Chaud / Froid

18 QUI EST AGP Développement AGPDéveloppement Nombre d employés: 170 Chiffre d Affaires: 20 M Nombre de moules par an 200 MOULES HAUTE CADENCE EMBALLAGE A PAROIS MINCES Iso 9001 MOULES TECHNOLOGIES MULTI INJECTION MOULES PRODUITS TRES TECHNIQUES German Institute Innovations axées sur la performance des moules Mandat crédit impôts recherches

19 Dans le cadre des innovations axées sur la performance des moules: Georges Pernoud propose depuis 8 ans: TECHNOLOGIE FUSION LASER

20 LA METHODOLOGIE: Cibler avec le client l intérêt de l utilisation de la fusion laser - Qualité visuelle. Aspect - Temps cycle - Caractéristiques mécaniques du produits Estimer et comparer un temps de cycle: Rhéologie par PEP axée sur masses matières ou zones chaudes Pré étude faisabilité du moule en technologie Fusion laser et comparatif prix Possibilité d aménager la pièce Estimation comparatif entre temps cycle technologie traditionnelle et Fusion Laser Choix de la technologie traditionnelle ou Fusion laser

21 Réaliser les empreintes et le moule Pernoud: Finaliser la pré étude avec intégration des pavés laser et transmission au PEP PEP: Modélisation des pavés fusion laser: circuits régulation, calculs fluidiques Pernoud: Validation aspects mécaniques et fiabilité générale du moule PEP: Réalisation des pavés sur plaque de base Pernoud Pernoud: récupération des pavés et intégration dans le moule Valider les résultats lors des essais: Essais du moule Conformités aux hypothèses de départ

22 1 ER EXEMPLE: COVER CLUSTER OPEL CORSA Année 2008 Un premier moule 2 empreintes à déjà été réalisé par notre client équipementier Presse 750 Tonnes Matière: Copolymer PA 6.6 CIBLAGE DE L INTERET: Actuellement les pièces sont peintes pour assurer la qualité visuelle demandée au CDC (surcoût) Le temps de cycle à été rallongé pour gérer la déformation: 70 secondes Un taux de rebuts important ENGAGEMENT SUR OBJECTIFS: Temps cycle: 49 secondes Conformité visuelle: suppression de la peinture Conformité dimensionnelle: gérer les déformées

23 Réalisation de l expertise Rhéologie Modification du point d injection Modification des épaisseurs pour préférentiels de remplissage (validation avec client final)

24 Réalisation de l expertise Rhéologie Modifier la position de la ligne de soudure sur zone non visible

25 - Modéliser la régulation. - Réalisation des noyaux et intégration dans moule Poudre acier Maraging (traitement revenu à 50 HRC)

26 ESSAIS DE VALIDATION

27 VALIDER LES HYPOTHESES Vue avec caméra thermique du PEP Homogénéité thermique : t < 10 C

28 VALIDER LES RESULTATS ET L ENGAGEMENT ENGAGEMENT SUR OBJECTIFS: Temps cycle: Initial: 70 sec. Engagement: 49 sec. Réalisé: 43 sec Conformité visuelle: accepté par client final: suppression de la peinture Conformité dimensionnelle: Dimensionnel et montabilité acceptée Septembre 2012: injections réalisées

29 BOITIER THERMOSTAT BSE DV EURO 5 Année 2009: Matiere: PA 66 GF 30 Presse 250 T Moule 2 empreintes 1 er moule réalisé en technologie classique Cycle: 48 secondes Ciblage de l intérêt: - 2 autres moules à développer en simultané pour assurer la capacité - Opportunité de faire un comparatif des 2 technologies avec 1 er moule en technologie classique

30 CONCLUSIONS SUR LE PRODUIT Zones à optimiser: caissons Zone à optimiser en régulation Zone à optimiser en régulation

31 ETUDE ET REALISATION Traditionnel Fusion Laser

32 LES RESULTATS: - La température pièce chute de 20 avec la solution fusion laser - Forte atténuation de la déformation pièce Homogénéité thermique sur pièce à moins de 10 C Classique Avec insert fusion laser OPTIMISATION FINALE DU PROCESS: Temps cycle 1 er moule: 48 secondes Temps cycle 2eme moule: 35 secondes

33 UN POINT NEGATIF: Un des insert s est rapidement dégradé: - Régulation et circulation d eau dans cet insert pratiquement inexistante - Production de vapeur d eau - Oxydation rapide des ponts intérieurs et effondrement du pavé Remédes: - Un circuit séparé de régulation pour un meilleur débit d eau - Remplacement de l insert avec nouvelle modélisation du circuit Septembre 2012: injections au compteur sur ce moule Performance identique au démarrage

34 REPARTITEUR ADMISSION AIR FORD Presse: 750 Tonnes Moule: 2 empreintes Matière: PA 6.6 GF30 Design figé par client final: fortes épaisseurs liées à contraintes températures et effort Les objectifs: Objectif temps cycle: - techno classique: 70 sec - Engagement objectif: 50 sec

35 Solutions technique: Choix de répartition des pavés Fusion Laser dans les zones massives et réseau de nervures Homogénéité thermique sur pièce à moins de 10 C

36 Nous vous remercions de votre attention

37 Système chaud-froid CONFORMAL COOLING Mise en place d un système de contrôle en température SISE dans le cadre du projet NewPIM Problématique d injection d un pièce MIM (fortement chargé en particules métalliques) / synthèse du cahier des charges soumis à la SISE: Principe : Monter en température pour faciliter l injection, la répartition des particules et améliorer les états de surfaces, descendre en température pour éjecter la pièce Besoin : Mise en dialogue de la presse et du système chaud / froid pour un pilotage en fonction de la température dans le moule Choix technique : liquide caloporteur huile, utilisé par ALLIANCE

38 LA PLASTURGIE SOUS CONTRÔLE Spécialiste dans les systèmes de contrôle de température et de process dédiés principalement à l'industrie de transformation des matières plastiques par injection

39 Le Monde de SISE: La Plasturgie sous Contrôle Thermorégulation Régulation Canaux Chauds PSP Contrôle de Process Supervision d'atelier Injection Séquentielle

40 Le projet NewPIM Régulation thermique d un moule par technologie chaud froid + acquisition de mesures dans le moule. Moule : 1 circuit chaud + 1 circuit froid Capteurs moule : 2 capteurs de pression empreinte + 1 thermocouple K Matériel SISE : 1 thermo a huile SISE pour circuit chaud (travail à 180 C) 1 thermo a huile SISE pour circuit froid (travail à 60 C) 2 vannes 3 voies + 1 coffret de contrôle du cycle de régulation thermique 1 système PSP pour l acquisition des mesures

41 Principe du cycle thermique Etat initial : Circuit froid du moule non alimenté= thermo froid en by -pass Circuit chaud alimenté par thermo chaud Lancement timer temps de chauffe Si température T a atteint le seuil haut SH (SH=150 C) ou Timer temps de chauffe atteint : Autorisation top départ cycle machine Après un temps TIMER ou evt machine (Top début maintien, top fin maintien, ) : Circuit chaud du moule non alimenté= thermo chaud en by -pass Circuit froid alimenté par thermo froid Lancement timer temps de refroidissement Si température T a atteint le seuil bas SB (SB=80 C) ou timer temps de refroidissement atteint : Circuit froid du moule non alimenté= thermo froid en by -pass Autorisation top éjection pièce Après un temps TIMER ou evt machine : Retour Etat initial

42 Les avantages de l huile sur cette application Température fluide jusqu à 250 C avec les appareils utilisés Sécurité de l installation : le circuit reste à la pression atmosphérique, pour des températures jusqu à 350 C Pérennité de l outillage : Pas de risque d entartrage des circuits de faible diamètre (Ø=2 mm) Excellent échange thermique, encore amélioré par l optimisation des canaux par le «conformal cooling» : profil de température très réactif La technologie SISE appliquée à l huile Pas de «cracking» car: Basse densité de chauffe des résistances Pas de contact direct entre les résistances et le fluide pas de point chaud Maitrise des conditions d écoulement donc de l échange thermique en tout point

43 Les technologies chaud-froid Chauffe par vapeur, refroidissement par eau froide

44 Les technologies chaud-froid Chauffe par eau chaude, refroidissement par eau froide Maitrise des rampes de chauffe et de refroidissement Maitrise de l homogénéité thermique d outillages de grande longueur Réserve de puissance en chaud et froid

45 Présentation du PIM CONFORMAL COOLING Procédé PIM : Powder Injection Molding: Combinaison de l injection plastique et de la métallurgie des poudres (métalliques ou céramiques) Feedstock : Catamold 316 LG de BASF AG ~ 60% de poudre métallique 316L + 40% de liant polymère (POM 90% + PE 10%)

46 Objectif pour la fusion laser CONFORMAL COOLING Système de circulation optimisé pour le chaud/froid : Chauffe du moule avant injection pour améliorer le remplissage, Refroidissement après pour augmenter la vitesse de cycle. Objectifs : Améliorer le remplissage de la pièce lors de l injection : Meilleure homogénéité des charges, Moins de ségrégation. Canaux imbriqués chaud-froid

47 Temperature of Solid [ C] Validation de la Cao des canaux CONFORMAL COOLING Etude rhéologique : Identification des zones chaudes. Etude fluidique : Vérification de l équilibrage, Simulation de la perte de charge en fonction du débit, 3L/min => 1,4 Bar avec huile, 0,6 Bar avec eau. Etude thermique : Validation de l obtention d un gradient de T suffisant : 70, avec phase de chauffe de 20s Etude mécanique : Usure : 52HRC suffisant pour le PIM Canaux circulaires suffisamment distants de la surface moulante (dans le cas contraire, simulation mécanique de l outillage) => Outillage capable de tenir 1 million de cycles Température minimum 0 Température moyenne Température 100 maximale Physical time (s)

48 Fabrication des inserts CONFORMAL COOLING Préparation des fichiers pour fabrication et intégration dans la gamme opératoire Broche: Ajout surépaisseur d environ 1 mm pour reprise d usinage, (généralement 0,5 mm est suffisant), Intégration de canaux pour évacuation de la poudre avant découpe fils, Système de centrage pour reprise au tour.

49 Fabrication des inserts CONFORMAL COOLING Préparation des fichiers pour fabrication et intégration dans la gamme opératoire Matrice: Ajout surépaisseur d environ 1 mm pour reprise d usinage, (généralement 0,5 mm est suffisant), Retrait de matière de 0,5mm pour surface non fonctionnelle, non en contact avec le moule, Intégration support pour fermeture de la voute, Comblement des perçages pour les capteurs.

50 Fabrication des inserts CONFORMAL COOLING Préparation des fichiers pour fabrication et intégration dans la gamme opératoire Fabrication: Inserts fabriqués sur la EOS M270 en acier maraging , Traitement thermique de vieillissement, Reprise en usinage par le mouliste: - tournage et surfaçage de la broche, - surfaçage de la matrice, - enfonçage des surface moulantes de la matrice, - perçage des emplacements des capteurs de la matrice.

51 Contrôle des inserts CONFORMAL COOLING Avant envoi outillage, ou après usinage possibilité de tester sur banc de contrôle : Validation de l évolution de la perte de charge en fonction du débit, Vérification par camera infrarouge du bon comportement en température des inserts : - célérité de réponse des canaux, - équilibrage des réseaux, - révélation d obstruction Broche conventionnelle Canaux parallèles Canaux couplés Débit 3.1L/min par canal

52 Pièce après déliantage et densification CONFORMAL COOLING Résultat avec injection Catamold 316L: Cycle chaud/froid efficace avec cyclage commandé par capteur thermique dans le moule, Meilleur aspect de surface : ouverture de nouveaux domaines d application : joaillerie, aéronautique Réduction de 70% du temps d injection avec la fusion laser Liquide caloporteur / système de régulation Canaux Températures consignes Temps de cycle (en s) Usinés Huile / SISE Fusion laser Moule traditionnel Moule fusion laser

53 Synthèse sur la fusion laser CONFORMAL COOLING Domaine d application : Emballage, Electronique, Automobile Objectifs : réduire le temps de cycle, remplacer le CuBe, amélioration de l homogénéité thermique des pièces. Gain en temps de cycle validé 10 à 40%, plus généralement 15 à 20% pour refroidissement conventionnel => Gain de productivité estimé : 15 à 100k /an. Surcoût de la fusion laser : 5k à 20k => Retour sur amortissement : 2 à 9 mois. Cas chaud-froid : la fusion laser permet un changement de température efficace de l outillage, soit un temps de cycle correcte de l ordre de la minute (le cycle en conventionnel est à multiplier par 4) PEP Nbr d applications outillage SLM

54 Crédit photos : PEP Olivier GUERRIN PHOTOGRAPHE - LPKF Contact : M. Guillaume Vansteenkiste Chef de Projet R&D fusionlaser@poleplasturgie.com 2, rue Pierre et Marie Curie BP 1204 Bellignat Oyonnax Cedex France : +33 (0) : +33 (0)

55 Système chaud-froid CONFORMAL COOLING Résultat avec injection polymère PC: Température de régulation : température des thermorégulateurs : basse 60 C, haute 180 C, Consignes températures ; température des capteurs dans le moule pour injection et éjection : éjection 80 C, injection varie entre 120 et 150 C, Temps de cycle varie entre 60 et 450s Gain jusqu à 80% sur outillage conventionnelle, (Généralement seulement 30 % sur régulation conventionnelle) Consignes Conventionnel Fusion laser Gain C 170s 60s 65% C 170s 61s 65% C 260s 67s 75% C 450s 80s 80%

56 Injection PIM CONFORMAL COOLING Résultat avec injection Catamold 316L: 64% en volume de poudre 316L, 36 % en volume de liant, composition du liant : POM 90% en masse, PE 10% en masse. Efficacité de la chauffe peut conduire au retour à un état mou du polymère si mal maitrisé => nécessité de maitrise des phases de chauffe et de refroidissement.